DE102020212114A1 - Method for determining a sensitivity of a Hall sensor element and Hall sensor with at least one Hall sensor element - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements 20 unter Berücksichtigung eines Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße des Hallsensorelements 20 umfasst folgende Schritte: Ermitteln 110 einer Referenzempfindlichkeit So und eines Referenzwerts X0der Betriebsgröße X des Hallsensorelements; Bestimmen 120 eines Momentanwerts X1der Betriebsgröße X des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal des Hallsensorelements; und Bestimmen 130 der Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit S0, auf dem Referenzwert X0der Betriebsgröße X, auf dem ermittelten Momentanwert X1der Betriebsgröße X und auf dem Wirkzusammenhang.A method 100 for determining a sensitivity of a Hall sensor element 20, taking into account an active relationship between the temperature dependence of the sensitivity and the temperature dependence of the operating variable of the Hall sensor element 20, comprises the following steps: determining 110 a reference sensitivity So and a reference value X0 of the operating variable X of the Hall sensor element; determining 120 an instantaneous value X1 of the operating variable X of the Hall sensor element based on a control signal of the Hall sensor element; and determining 130 the sensitivity of the Hall sensor element based on the reference sensitivity S0, on the reference value X0 of the operating variable X, on the determined instantaneous value X1 of the operating variable X and on the active relationship.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der (magnetischen) Empfindlichkeit eines Hallsensorelements und auf einen Hallsensor mit zumindest einem Hallsensorelement und mit einer Verarbeitungseinrichtung zum Durchführen des Verfahrens. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Bestimmung einer widerstandsnormierten Empfindlichkeit eines Hallsensors, der ein oder eine Mehrzahl von Hallsensorelementen aufweist, wobei durch die Verknüpfung von Hallsensorwiderstand und Hallsensorempfindlichkeit die momentane Empfindlichkeit des jeweiligen Hallsensorelements indirekt messbar oder erfassbar ist. Dies ermöglicht, einen Empfindlichkeitsgleichlauf bei Hallsensoren mit einer Mehrzahl von Hallsensorelementen, wie z. B. in einem 2D- oder 3D-Hallsensor, zu erreichen. Ferner wird auch eine indirekte Messung der Empfindlichkeit in Hallsensoren im Allgemeinen, d.h. bei Absolutwert-basierten Messsystemen, wie zum Beispiel Stromsensoren, ermöglicht.The present invention relates to a method for determining the (magnetic) sensitivity of a Hall sensor element and to a Hall sensor with at least one Hall sensor element and with a processing device for carrying out the method. In particular, the present invention relates to the determination of a resistance-normalized sensitivity of a Hall sensor, which has one or more Hall sensor elements, the instantaneous sensitivity of the respective Hall sensor element being indirectly measurable or detectable by linking Hall sensor resistance and Hall sensor sensitivity. This enables a sensitivity synchronization with Hall sensors with a plurality of Hall sensor elements, such as. B. in a 2D or 3D Hall sensor to achieve. Furthermore, an indirect measurement of the sensitivity in Hall sensors in general, i.e. in absolute value-based measurement systems such as current sensors, is also made possible.
Die Eigenschaft von Hallsensoren bzw. einzelnen Hallsensorelementen, wie z. B. deren magnetische Empfindlichkeit, ist von einer Reihe von Faktoren und Einflussgrößen abhängig, die sich auf den Magnetfeldsensor auswirken. So können sich bereits bei der Produktion von Magnetfeldsensoren etwaige Prozess- und Herstellungstoleranzen des verwendeten CMOS-Prozesses (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) mit den resultierenden Dotierungsprofilen, Maskengenauigkeiten und Justagetoleranzen auf die Eigenschaften der Magnetfeldsensoren auswirken und damit diese beeinflussen und definieren. Ferner können auch Parameter im späteren Betrieb, wie z. B. die Sensortemperatur aufgrund der Umgebungstemperatur, die Eigenschaften des Magnetfeldsensors und insbesondere dessen Empfindlichkeit beeinflussen und definieren. Änderungen der Umgebungstemperatur (innerhalb des Sensorbetriebstemperaturbereichs) können zu Veränderungen der Sensorempfindlichkeit bis hin zu ±20% führen. Im speziellen Fall von 2D- bzw. 3D-Hallsensoren kommt hinzu, dass der Temperatureinfluss auf die Empfindlichkeit der lateralen und vertikalen Sensoren unterschiedlich wirkt, wobei sich auch hier der Unterschied in der Empfindlichkeitsdrift zwischen einem vertikalen Sensor (z. B. einem Z-Sensor) und einem lateralen Sensor (X-/Y-Hallsensor) im Bereich von ± 15% bewegen kann.The property of Hall sensors or individual Hall sensor elements such. B. their magnetic sensitivity depends on a number of factors and influencing variables that affect the magnetic field sensor. As early as during the production of magnetic field sensors, any process and manufacturing tolerances of the CMOS process used (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor) with the resulting doping profiles, mask accuracy and adjustment tolerances can affect the properties of the magnetic field sensors and thus influence and define them. Furthermore, parameters in later operation, such. B. influence and define the sensor temperature due to the ambient temperature, the properties of the magnetic field sensor and in particular its sensitivity. Ambient temperature changes (within the sensor operating temperature range) can result in sensor sensitivity changes of up to ±20%. In the special case of 2D or 3D Hall sensors, there is also the fact that the temperature influences the sensitivity of the lateral and vertical sensors differently, with the difference in sensitivity drift between a vertical sensor (e.g. a Z sensor ) and a lateral sensor (X/Y Hall sensor) in the range of ± 15%.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden als Hallsensorelemente die einzelnen magnetfeldempfindlichen Sensorelemente bezeichnet, während als Hallsensor die resultierende Sensoranordnung mit zumindest einem oder auch einer Mehrzahl von einzelnen Hallsensorelementen und beispielsweise mit der zugehörigen Ansteuerschaltung und (optional) der Auswerteschaltung bezeichnet wird. Die Ansteuerschaltung mit der optionalen Auswerteschaltung wird auch als Verarbeitungseinrichtung bezeichnet.In the context of the present description, the individual sensor elements sensitive to magnetic fields are referred to as Hall sensor elements, while the resulting sensor arrangement with at least one or also a plurality of individual Hall sensor elements and, for example, with the associated control circuit and (optional) the evaluation circuit is referred to as Hall sensor. The drive circuit with the optional evaluation circuit is also referred to as a processing device.
Zur Bestimmung der Empfindlichkeit eines Hallsensors wird über eine Spule ein Magnetfeld mit möglichst bekannter magnetischer Flussdichte am Ort des Hallsensorelements bzw. der Hallsensorelemente des Hallsensors erzeugt. Über die Änderung des Ausgangssignals des jeweiligen Hallsensorelements kann dann auf die Empfindlichkeit des Hallsensorelements geschlossen werden. Bei einem auf Hallsensorelementen basierenden Magnetfeldsensor kann also durch eine Änderung der Hallspannung, die durch eine Änderung der magnetischen Flussdichte in dem Sensorelement hervorgerufen werden kann, auf die Empfindlichkeit des jeweiligen Hallsensorelements geschlossen werden.To determine the sensitivity of a Hall sensor, a magnetic field with a known magnetic flux density is generated via a coil at the location of the Hall sensor element or the Hall sensor elements of the Hall sensor. The sensitivity of the Hall sensor element can then be inferred from the change in the output signal of the respective Hall sensor element. In the case of a magnetic field sensor based on Hall sensor elements, a change in the Hall voltage, which can be caused by a change in the magnetic flux density in the sensor element, can be used to determine the sensitivity of the respective Hall sensor element.
So wird bisher die Empfindlichkeit von einzelnen Hallsensorelementen oder von Hallsensoren mit (vertikalen und/oder horizontalen) Hallsensorelementen im Serientest bei verschiedenen Temperaturen mit externen Helmholtz-Spulenpaaren gemessen und zur späteren Korrektur in einem zugriffbaren Speicher als abrufbare Werte hinterlegt. Dabei sind die Anzahl der benötigten Temperaturpunkte sowie die Schrittweiten zwischen diesen Temperaturpunkten abhängig von der geforderten Resttoleranz in der Empfindlichkeit der Hallsensorelemente. Diese Empfindlichkeitsmessung bzw. die Kalibrierung über der Temperatur mit externen Helmholtz-Spulen macht einen solchen Serientest aber sehr zeitintensiv, wodurch sich ein solcher Serientest als teuer, aufwändig, und unflexibel gestaltet.So far, the sensitivity of individual Hall sensor elements or of Hall sensors with (vertical and/or horizontal) Hall sensor elements has been measured in series tests at different temperatures with external Helmholtz coil pairs and stored as retrievable values in an accessible memory for later correction. The number of required temperature points and the increments between these temperature points depend on the required residual tolerance in the sensitivity of the Hall sensor elements. However, this sensitivity measurement or the calibration over the temperature with external Helmholtz coils makes such a series test very time-consuming, which means that such a series test is expensive, complex and inflexible.
In der Nähe der Hallsensorelemente befindliche Spulen, die beispielsweise auf dem Hallsensorchip integriert oder in die Leiterplatte für die Hallsensorelemente eingebettet sein können, sind ein erster Ansatz, um die Empfindlichkeit ohne externe Helmholtz-Spulenpaare zu messen. Diese integrierten Spulen erzeugen ein in Flussdichte und Frequenz definiertes Magnetfeld in dem jeweiligen Hallsensorelement. Neben einer Vereinfachung des Serientestaufbaus erlauben diese Anordnungen die Messung der Sensorempfindlichkeit in der Applikation. Ist allerdings ein externes Magnetfeld ähnlicher Frequenz überlagert, so ist dieses nicht vom intern erzeugten Magnetfeld unterscheidbar und die durchgeführte Empfindlichkeitsmessung ist fehlerhaft. Somit funktioniert ein solches Kalibrierverfahren mit integrierten Spulen beispielsweise nur in magnetisch definierten Umgebungen bzw. ist nur dort einsetzbar. In den Patentveröffentlichungen
Es besteht somit ein Bedarf nach einem Konzept zur Empfindlichkeitsmessung von Hallsensorelementen, der mit einem möglichst geringen Aufwand, d. h. möglichst ohne externe oder auch integrierte Spulen, durchgeführt und implementiert werden kann.There is therefore a need for a concept for measuring the sensitivity of Hall sensor elements that can be implemented with as little effort as possible, ie. H. can be carried out and implemented as far as possible without external or even integrated coils.
Basierend auf dem dargestellten Stand der Technik besteht nun die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe darin, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit, d.h. der momentanen Empfindlichkeit, eines Hallsensorelements oder eines Hallsensors mit mehreren Hallsensorelementen zu schaffen, das möglichst unaufwändig, schnell, genau und insbesondere in der Applikation (in situ) durchgeführt werden kann.Based on the prior art presented, the object on which the present invention is based is to create an improved method for determining a sensitivity, ie the instantaneous sensitivity, of a Hall sensor element or a Hall sensor with a plurality of Hall sensor elements that is as uncomplicated as possible, fast, accurate and, in particular, can be carried out in the application (in situ).
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Aufgabe wird also durch das Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß den Patentansprüchen 1, 18 und 23 sowie durch den Hallsensor gemäß den Patentansprüchen 16 und 30 gelöst.This object is solved by the independent patent claims. The object is thus achieved by the method for determining a sensitivity of a Hall sensor element according to
Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den unabhängigen Patentansprüchen definiert.Developments according to the invention are defined in the independent patent claims.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements unter Berücksichtigung eines Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit einer von dem elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängigen Betriebsgröße, folgende Schritte: Ermitteln einer Referenzempfindlichkeit und eines Referenzwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements, Bestimmen eines Momentanwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal des Hallsensorelements, und Bestimmen der Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit, auf dem Referenzwert der Betriebsgröße, auf dem Momentanwert der Betriebsgröße und auf dem Wirkzusammenhang..According to one exemplary embodiment, a method for determining a sensitivity of a Hall sensor element, taking into account a functional relationship between the temperature dependency of the sensitivity and the temperature dependency of an operating variable that is dependent on the electrical resistance value of the Hall sensor element, includes the following steps: determining a reference sensitivity and a reference value of the operating variable of the Hall sensor element, determining a Instantaneous value of the operating variable of the Hall sensor element based on a control signal of the Hall sensor element, and determining the sensitivity of the Hall sensor element based on the reference sensitivity, on the reference value of the operating variable, on the instantaneous value of the operating variable and on the functional relationship..
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Hallsensor zumindest ein Hallsensorelement; und eine Verarbeitungseinrichtung, die zum Ausführen des Verfahrens zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements ausgebildet ist.According to one embodiment, a Hall sensor includes at least one Hall sensor element; and a processing device which is designed to carry out the method for determining a sensitivity of a Hall sensor element.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements folgende Schritte: Bereitstellen eines Modells F(X,T) für die Empfindlichkeit mit der Betriebsgröße des Hallsensorelements und mit der Temperatur als Variable, wobei die Betriebsgröße von dem elektrischen Widerstandswert des Sensorelements abhängig ist, Bestimmen eines Momentanwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal des Hallsensorelements, Bestimmen der momentanen Temperatur des Hallsensorelements, und Bestimmen der momentanen Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf dem Wert des Modells, der dem momentanen Temperaturwert und dem Momentanwert der Betriebsgröße zugeordnet ist.According to one exemplary embodiment, a method for determining a sensitivity of a Hall sensor element includes the following steps: providing a model F(X,T) for the sensitivity with the operating variable of the Hall sensor element and with the temperature as a variable, the operating variable being dependent on the electrical resistance value of the sensor element , determining an instantaneous value of the operating variable of the Hall sensor element based on a control signal of the Hall sensor element, determining the instantaneous temperature of the Hall sensor element, and determining the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element based on the value of the model, which is associated with the instantaneous temperature value and the instantaneous value of the operating variable.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements folgende Schritte: Bereitstellen eines Modells für eine Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit und Betriebsgröße des Hallsensorelements mit der Temperatur als Variable, wobei die Betriebsgröße von dem elektrischen Widerstandswert des Sensorelements abhängig oder ableitbar ist, Bestimmen eines Momentanwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal des Hallsensorelements, Bestimmen der momentanen Temperatur des Hallsensorelements, und Bestimmen der momentanen Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung, das dem momentanen Temperaturwert zugeordnet ist, und dem Momentanwert der Betriebsgröße.According to one exemplary embodiment, a method for determining a sensitivity of a Hall sensor element includes the following steps: providing a model for a sensitivity-operating variable relationship from sensitivity and operating variable of the Hall sensor element with temperature as a variable, the operating variable being dependent on or derivable from the electrical resistance value of the sensor element , determining an instantaneous value of the operating variable of the Hall sensor element based on a control signal of the Hall sensor element, determining the instantaneous temperature of the Hall sensor element, and determining the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element based on the value for the sensitivity-operating variable relationship assigned to the instantaneous temperature value and the Instantaneous value of company size.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Hallsensor (zumindest) ein Hallsensorelement; und eine Verarbeitungseinrichtung, die zum Ausführen des Verfahrens zum Bestimmen einer Empfindlichkeit eines Hallsensorelements ausgebildet ist.According to one exemplary embodiment, a Hall sensor comprises (at least) a Hall sensor element; and a processing device which is designed to carry out the method for determining a sensitivity of a Hall sensor element.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dass eine Empfindlichkeitsmessung bzw. eine Kalibrierung eines Hallsensorelements oder Hallsensors (mit zumindest einem Hallsensorelement) effektiv durchgeführt werden kann, indem ein bekannter (= z.B. ermittelter oder vorgegebener) Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des jeweiligen Hallsensorelements und der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands, wie z.B. des Innenwiderstands bzw. Hallwiderstands, oder einer von dem elektrischen Widerstandswert (RHall = R1) des Hallsensorelements (20) abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements ausgenutzt wird.The core idea of the present invention is that a sensitivity measurement or a calibration of a Hall sensor element or Hall sensor (with at least one Hall sensor element) can be carried out effectively by a known (= e.g. determined or predetermined) effective relationship between the temperature dependence of the sensitivity of the respective Hall sensor element and the temperature dependence of the electrical resistance, such as the internal resistance or Hall resistance, or one of the electrical resistance (R Hall = R 1 ) of the Hall sensor element (20) dependent or derived operating variable (X) of the Hall sensor element is utilized.
Die von dem elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängige Betriebsgröße kann nun also beispielsweise (1.) der elektrische Widerstandswert des Hallsensorelements sein, oder kann ferner (2.) der elektrische Leitfähigkeitswert (oder Leitwert) des Hallsensorelements sein, oder kann (3.) im spannungsgesteuerten Betrieb (mit einer vorgegebenen oder konstanten Versorgungsspannung), der (resultierende, eingeprägte) Versorgungsstrom des Hallsensorelements sein, oder kann (4.) im stromgesteuerten Betrieb (mit einem vorgegebenen oder konstanten Versorgungsstrom), die (resultierende, eingeprägte) Versorgungsspannung des Hallsensorelements sein, oder kann (5.) im freilaufenden Betrieb, der elektrische Widerstandswert oder der elektrische Leitfähigkeitswert des Hallsensorelements (gemäß dem ohmschen Gesetz R = U / I) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) sein.The operating variable dependent on the electrical resistance value of the Hall sensor element can now be, for example, (1.) the electrical resistance value of the Hall sensor element, or can also be (2.) the electrical conductivity value (or conductance) of the Hall sensor element, or can be (3.) voltage-controlled operation (with a specified or constant supply voltage), the (resulting, impressed) supply current of the Hall sensor element, or (4.) in current-controlled operation (with a specified or constant supply current), the (resulting, impressed) supply voltage of the Hall sensor element, or (5.) in free-running operation, the electrical resistance value or the electrical conductivity value of the Hall sensor element (according to Ohm's law R = U / I) based on the supply current and the supply voltage of the Hall sensor element (at the operating point of the Hall sensor element).
Der bekannte Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallsensorelements und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Hallsensorelements wird also genutzt, um allein durch die Ermittlung der von dem momentanen elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße des Hallsensorelements oder des momentanen Widerstandwerts des Hallsensorelements selbst, um auf die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements zu schließen wobei die Ermittlung dieser Größe über die Messung oder Erfassung des momentanen Ansteuersignals (= des eingeprägten Signals, z.B. Versorgungsstrom oder Versorgungsspannung) zu dem Hallsensorelement erfolgt. Ferner kann die Ermittlung dieser Betriebsgröße entsprechend dem jeweiligen Betriebsmodus auch über die Messung bzw. Erfassung der momentanen Ansteuersignale (z.B. Versorgungsstrom und Versorgungsspannung) zu dem Hallsensorelement erfolgen, um auf die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements schließen zu können.The well-known interrelationship between the temperature dependency of the sensitivity of the Hall sensor element and the temperature dependency of the resistance of the Hall sensor element is therefore used, simply by determining the operating variable of the Hall sensor element that is dependent or derived from the instantaneous electrical resistance value of the Hall sensor element or the instantaneous resistance value of the Hall sensor element itself to close the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element, this variable being determined by measuring or detecting the instantaneous control signal (=the impressed signal, eg supply current or supply voltage) to the Hall sensor element. Furthermore, this operating variable can also be determined according to the respective operating mode by measuring or detecting the instantaneous control signals (e.g. supply current and supply voltage) to the Hall sensor element in order to be able to deduce the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element.
Somit kann die Empfindlichkeitsmessung bzw. Kalibrierung eines Hallsensorelements unter Kenntnis des Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallsensorelements und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands des Hallsensorelements (i. W.) oder der davon abhängigen Betriebsgröße allein über die durch Ermittlung des momentanen, elektrischen Widerstandwerts oder der von dem momentanen elektrischen Widerstandswert (RHall = R1) des Hallsensorelements (20) abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße (X) des Hallsensorelements erfolgen.Thus, the sensitivity measurement or calibration of a Hall sensor element can be carried out with knowledge of the functional relationship between the temperature dependence of the sensitivity of the Hall sensor element and the temperature dependence of the resistance of the Hall sensor element (in general) or the operating variable dependent on it solely by determining the instantaneous electrical resistance value or the of the instantaneous electrical resistance value (R Hall = R 1 ) of the Hall sensor element (20) dependent or derived operating variable (X) of the Hall sensor element.
Das vorliegende Konzept zeichnet sich also dadurch aus, dass die (momentane) temperaturabhängige Empfindlichkeit eines Hallsensorelements in dessen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand beobachtbar ist bzw. abgebildet ist und somit „direkt“ oder „indirekt“ über den elektrischen Widerstand messbar bzw. ableitbar ist. Grundlage des vorliegenden Konzepts ist somit die Verknüpfung bzw. der Wirkzusammenhang der Empfindlichkeit des Hallsensors mit dessen elektrischen Widerstandwert und deren Temperaturabhängigkeiten.The present concept is characterized by the fact that the (current) temperature-dependent sensitivity of a Hall sensor element can be observed or mapped in its temperature-dependent electrical resistance and can therefore be measured or derived "directly" or "indirectly" via the electrical resistance. The basis of the present concept is therefore the linkage or the functional relationship of the sensitivity of the Hall sensor with its electrical resistance value and its temperature dependencies.
Als Wirkzusammenhang wird also die Beziehung oder das Verhältnis zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements und dessen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand oder der von dem momentanen elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße des Hallsensorelements angesehen.The relationship or ratio between the temperature-dependent sensitivity of a Hall sensor element and its temperature-dependent electrical resistance or the operating variable of the Hall sensor element that is dependent or derived from the instantaneous electrical resistance value of the Hall sensor element is considered to be an effective connection.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bezieht sich das vorliegende Konzept auf einen bekannten, ermittelten oder vorgegebenen Wirkzusammenhang, d.h. auf einen definierten Zusammenhang, zwischen der Temperaturabhängigkeit der (magnetischen) Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße des Hallsensorelements, wobei sich die Empfindlichkeit des Hallelements als auch die Betriebsgröße des Hallelements über der Temperatur ändern, und wobei die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit und die temperaturbedingte Änderung der Betriebsgröße des Hallelements in einer bekannten Beziehung zueinander stehen. Dieser Wirkzusammenhang bzw. diese vorgegebene Beziehung wird nun ausgenutzt, um über die Änderung der Betriebsgröße des Hallelements, d. h. über den Vergleich des Momentanwerts der Betriebsgröße des Hallsensorelements mit einem Referenzwert der Betriebsgröße des Hallsensorelements, auf die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements zu schließen, d. h. auf die etwaige Änderung gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert des Hallsensorelements.According to one exemplary embodiment, the present concept relates to a known, determined or specified causal relationship, i.e. to a defined relationship, between the temperature dependency of the (magnetic) sensitivity and the temperature dependency of the operating variable of the Hall sensor element, with the sensitivity of the Hall element and the operating variable of the Hall elements change over temperature, and the temperature-related change in sensitivity and the temperature-related change in the operational magnitude of the Hall element are in a known relationship to one another. This causal relationship or this predetermined relationship is now used to change the operating variable of the Hall element, i. H. by comparing the instantaneous value of the operating variable of the Hall sensor element with a reference value of the operating variable of the Hall sensor element, to infer the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element, d. H. to the possible change from the reference sensitivity value of the hall sensor element.
Der Wert der Referenzempfindlich als auch der Referenzwert der Betriebsgröße des Hallsensorelements werden beispielsweise bei einem Referenztemperaturwert, z.B. einem konstanten Temperaturwert, ermittelt. Wird nun der Momentanwert der Betriebsgröße des Hallsensorelements basierend auf dem an das Hallsensorelement anliegenden Ansteuersignal (Versorgungssignal) oder den an das Hallsensorelement anliegenden Ansteuersignalen (Versorgungssignalen) bestimmt, kann nun daraus unmittelbar die (momentane) Empfindlichkeit des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit, dem Referenzwert der Betriebsgröße und dem ermittelten Momentanwert der Betriebsgröße ermittelt werden, wobei dazu der Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße des Hallsensorelements berücksichtigt wird.The value of the reference sensitive and the reference value of the operating variable of the Hall sensor element are, for example, at a reference temperature value, for example a constant temperature value, determined. If the instantaneous value of the operating variable of the Hall sensor element is now determined based on the control signal (supply signal) present at the Hall sensor element or the control signals (supply signals) present at the Hall sensor element, the (instantaneous) sensitivity of the Hall sensor element can now be determined directly from this based on the reference sensitivity, the reference value of the Operating variable and the determined instantaneous value of the operating variable are determined, with the functional relationship between the temperature dependence of the sensitivity and the temperature dependence of the operating variable of the Hall sensor element being taken into account.
Da nun die Herstellungstechnologie, der jeweilige Aufbau als auch die verwendeten Halbleitermaterialien einen Einfluss auf den Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands oder der davon abgeleiteten Betriebsgröße eines Hallsensorelements haben, kann der Wirkzusammenhang für jeden Typ von Hallsensorelement ermittelt und beispielsweise als Rechenvorschrift bereitgestellt werden.Since the manufacturing technology, the respective structure and the semiconductor materials used have an influence on the interrelationship between the temperature dependence of the sensitivity and the temperature dependence of the resistance or the operating variable of a Hall sensor element derived from it, the interrelationship can be determined for each type of Hall sensor element and, for example, as a calculation rule to be provided.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Hallempfindlichkeit eines Hallsensorelements proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit sein, während der Hallwiderstand des Hallsensorelements indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit in dem Halbleitermaterial des Hallsensorelements sein kann.According to one embodiment, for example, the Hall sensitivity of a Hall sensor element can be proportional to the charge carrier mobility, while the Hall resistance of the Hall sensor element can be indirectly proportional to the charge carrier mobility in the semiconductor material of the Hall sensor element.
Bei einem solchen Wirkzusammenhang lässt sich beispielsweise eine widerstandsnormierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements definieren, die als Produkt der Referenzempfindlichkeit und des elektrischen Referenzwiderstandswerts des Hallsensorelements angegeben wird.With such an active relationship, a resistance-normalized sensitivity of the Hall sensor element can be defined, for example, which is specified as the product of the reference sensitivity and the electrical reference resistance value of the Hall sensor element.
Eine solche Normierung der Empfindlichkeit des Hallsensorelements ist somit auch auf die von dem momentanen elektrischen Widerstandswert des Hallsensorelements abhängige oder abgeleitete Betriebsgröße(n) des Hallsensorelements anwendbar, so dass „allgemein“ eine Betriebsgröße-normierten Empfindlichkeit des Hallsensorelements bereitgestellt werden kann.Such a normalization of the sensitivity of the Hall sensor element can therefore also be applied to the Hall sensor element's operating variable(s) which is dependent or derived from the instantaneous electrical resistance value of the Hall sensor element, so that "in general" a Hall sensor element sensitivity which is normalized to an operating variable can be provided.
So kann entsprechend den obigen Betriebszuständen (1.), (3.) und (5.) die Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit in Form des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts SXN des Hallsensorelements als Produkt der Referenzempfindlichkeit So und des Referenzwerts X0 der Betriebsgröße X des jeweiligen Hallsensorelements bereitgestellt werden, wobei dann basierend auf dem Quotienten zwischen dem Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkt SXN und dem Momentanwert der Betriebsgröße die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements bestimmt werden kann.In accordance with the above operating states (1.), (3.) and (5.), the operating variable-normalized sensitivity in the form of the operating variable-sensitivity product S XN of the Hall sensor element as a product of the reference sensitivity So and the reference value X 0 of the operating variable X of the respective Hall sensor element are provided, in which case the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element can be determined based on the quotient between the operating variable sensitivity product S XN and the instantaneous value of the operating variable.
Ferner kann entsprechend den obigen Betriebszuständen (2.) und (4.) die Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit in Form des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Quotienten SXN des Hallsensorelements als Quotient der Referenzempfindlichkeit S0 und des Referenzwerts X0 der Betriebsgröße X des jeweiligen Hallsensorelements bereitgestellt werden, wobei dann basierend auf dem Produkt zwischen dem Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Quotienten SXN und dem Momentanwert der Betriebsgröße die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements bestimmt werden kann.Furthermore, according to the above operating states (2.) and (4.), the operating variable-normalized sensitivity can be provided in the form of the operating variable sensitivity quotient S XN of the Hall sensor element as the quotient of the reference sensitivity S 0 and the reference value X 0 of the operating variable X of the respective Hall sensor element be, in which case the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element can be determined based on the product between the operating variable sensitivity quotient S XN and the instantaneous value of the operating variable.
Den obigen Ausführungsbeispielen ist nun gemeinsam, dass die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements, d. h. die (temperaturabhängige) Abweichung der momentanen Empfindlichkeit gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert, entsprechend dem jeweiligen Betriebsmodus basierend auf dem eingeprägten Ansteuersignal oder auf den Ansteuersignalen (z.B. gemäß dem ohmschen Gesetz) des Hallsensorelements bestimmt werden kann, wodurch die Empfindlichkeitsbestimmung des Hallsensorelements unabhängig von Kalibriermagnetfeldern etc. äußerst effizient und schnell durchgeführt werden kann.The above exemplary embodiments now have in common that the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element, i. H. the (temperature-dependent) deviation of the instantaneous sensitivity compared to the reference sensitivity value can be determined according to the respective operating mode based on the applied control signal or on the control signals (e.g. according to Ohm's law) of the Hall sensor element, whereby the sensitivity determination of the Hall sensor element is independent of calibration magnetic fields etc. extremely efficiently and can be done quickly.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand bzw. der von dem elektrischen Widerstand des Hallsensorelements abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße des Hallsensorelements mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die Beziehung zwischen der temperaturbedingten Änderung der Empfindlichkeit und der temperaturbedingte Änderung des elektrischen Widerstands oder der davon abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße des Hallelements (= Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung) kann mathematisch z.B. mit der Temperatur als Variable abgebildet werden.According to a further exemplary embodiment of the concept according to the invention, the known, determined or predetermined effective relationship between the temperature-dependent sensitivity and the temperature-dependent electrical resistance or the operating variable of the Hall sensor element that is dependent or derived from the electrical resistance of the Hall sensor element can now be “modeled” mathematically, i.e. the relationship between the temperature-related change in sensitivity and the temperature-related change in electrical resistance or the dependent or derived operating variable of the Hall element (= sensitivity-resistance relationship) can be mapped mathematically, for example with temperature as a variable.
Gemäß dem vorliegenden Konzept kann zunächst ein (temperaturabhängiges) Modell fSRN(T) (= eine mathematische Funktion) für eine Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung (= widerstandsnormierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand oder Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung (= Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit und abgeleiteter Betriebsgröße des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable bereitgestellt werden.According to the present concept, a (temperature-dependent) model f SRN (T) (= a mathematical function) for a sensitivity-resistance relationship (= resistance-normalized sensitivity sensitivity) from sensitivity and electrical resistance or sensitivity-operating variable relationship (= operating variable-normalized sensitivity) from sensitivity and derived operating variable of the Hall sensor element with the temperature T as a variable.
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert SN und ein elektrischer Widerstandswert RN oder ein Wert der Betriebsgröße XN des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN ermittelt werden, d.h. abgerufen, bereitgestellt oder gemessen wird. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T1, T2, ... , wobei dann das mathematische Modell fSRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand oder für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit und abgeleiteter Betriebsgröße des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten des elektrischen Widerstandswerts oder der abgeleiteten Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.This can be done, for example, by determining, ie retrieving, providing or measuring, a sensitivity value S N and an electrical resistance value R N or a value of the operating variable X N of the Hall sensor element at a plurality of temperature values T N . This corresponds to a calibration at the temperature values T 1 , T 2 , derived operating variable of the Hall sensor element with the temperature T as a variable (based on the measured values of the electrical resistance value or the derived operating variable and the sensitivity at the different temperatures) is determined.
Alternativ ist es beispielsweise ist es auch darüber möglich das Modell fSRN(T) rein rechnerisch aufzustellen, falls ein „Modell“ des Hallsensorelements basierend auf der verwendeten Herstellungstechnologie, dem jeweiligen Aufbau und den verwendeten Halbleitermaterialien etc. für das Sensorelement vorhanden ist.Alternatively, for example, it is also possible to set up the model f SRN (T) purely mathematically if a "model" of the Hall sensor element based on the manufacturing technology used, the respective structure and the semiconductor materials used, etc. for the sensor element is available.
Gemäß dem vorliegenden Konzept wird nun der momentane elektrische Widerstandswert oder der Momentanwert der Betriebsgröße des Hallsensorelements entsprechend der Betriebsart basierend auf einem eingeprägten Ansteuersignal (= Versorgungssignal) oder den Ansteuersignalen (= Versorgungssignalen) in das Hallsensorelement bestimmt, wobei ferner die momentane Temperatur des aktiven Bereichs des Hallsensorelements (direkt oder indirekt) bestimmt wird. Eine direkte Bestimmung der Temperatur bedeutet beispielsweise eine Temperaturerfassung des aktiven Bereichs, während eine indirekte Bestimmung der Temperatur beispielsweise zur Temperaturerfassung die Erfassung einer physikalischen Größe bedeutet, die in die momentane Temperatur umrechenbar ist bzw. aus der die momentane Temperatur ableitbar ist. Basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung oder für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung, der dem momentanen Temperaturwert zugeordnet ist, und dem Momentanwert des elektrischen Widerstandswerts oder der davon abhängigen Betriebsgröße kann dann schließlich die momentane Empfindlichkeit des Hallsensorelements (als Absolut-Wert) bestimmt werden.According to the present concept, the instantaneous electrical resistance value or the instantaneous value of the operating variable of the Hall sensor element is now determined according to the operating mode based on an impressed control signal (= supply signal) or the control signals (= supply signals) in the Hall sensor element, with the current temperature of the active area of the Hall sensor element (directly or indirectly) is determined. A direct determination of the temperature means, for example, a temperature detection of the active region, while an indirect determination of the temperature means, for example, the detection of a physical quantity that can be converted into the instantaneous temperature or from which the instantaneous temperature can be derived. Based on the value for the sensitivity-resistance relationship or for the sensitivity-operating variable relationship, which is assigned to the instantaneous temperature value, and the instantaneous value of the electrical resistance value or the operating variable dependent on it, the instantaneous sensitivity of the Hall sensor element (as an absolute value) are determined.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2a eine schematische Prinzipdarstellung in einer Draufsicht eines Magnetfeld-Sensorelements (Hallsensorelements) gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2b eine schematische Prinzipdarstellung eines Magnetfeld-Sensors (Hallsensor) gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei der Magnetfeld-Sensor zumindest ein Hallsensorelement aufweist; -
3a einen beispielhaften Empfindlichkeitsverlauf des Hallsensorelements im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3b einen beispielhaften Widerstandsverlauf des Hallsensorelements im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
3c einen beispielhaften Verlauf der widerstandsnormierten Empfindlichkeit im Temperaturbereich von -35°C bis 150°C gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4a einen beispielhaften Verlauf einer Abweichung der Bz Empfindlichkeit zu Bx nach Abgleich Bz zu Bx bei 25°C (Spinning-Current) gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4b einen beispielhaften Verlauf der widerstandsnormierten Empfindlichkeit mit Abgleich Bz zu Bx bei 25°C (Einzelphase PH0) gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4c einen beispielhaften Verlauf einer Abweichung der widerstandsnormierten Empfindlichkeit BZ zu BX nach Abgleich Bz zu Bx bei 25°C (Spinning-Current) gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
5 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; -
6 ein schematisches Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und -
7 einen beispielhaften Verlauf der indirekt gemessenen Hall-Sensor-Empfindlichkeit nach Kalibrierung bei 25°C und 40°C zu Messwerten mit Helmholtz-Spulen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 a schematic flowchart of a method for determining an instantaneous sensitivity of a Hall sensor element according to an embodiment; -
2a a schematic basic representation in a top view of a magnetic field sensor element (Hall sensor element) according to an embodiment; -
2 B a schematic basic representation of a magnetic field sensor (Hall sensor) according to an embodiment, wherein the magnetic field sensor has at least one Hall sensor element; -
3a an exemplary sensitivity curve of the Hall sensor element in the temperature range from −35° C. to 150° C. according to an exemplary embodiment; -
3b an exemplary resistance profile of the Hall sensor element in the temperature range from -35° C. to 150° C. according to an exemplary embodiment; -
3c an exemplary course of the resistance-normalized sensitivity in the temperature range from -35° C. to 150° C. according to an embodiment; -
4a an exemplary course of a deviation of the Bz sensitivity to Bx after adjustment of Bz to Bx at 25° C. (spinning current) according to an embodiment; -
4b an exemplary course of the resistance-normalized sensitivity with adjustment Bz to Bx at 25° C. (single phase PH0) according to an embodiment; -
4c an exemplary course of a deviation of the resistance-normalized sensitivity B Z to B X after adjustment Bz to Bx at 25° C. (spinning current) according to an embodiment; -
5 a schematic flowchart of a method for determining an instantaneous sensitivity of a Hall sensor element according to a further exemplary embodiment; -
6 a schematic flow chart of a further method for determining an instantaneous sensitivity of a Hall sensor element according to a further exemplary embodiment; and -
7 an exemplary course of the indirectly measured Hall sensor sensitivity after calibration at 25° C. and 40° C. for measured values with Helmholtz coils according to an exemplary embodiment.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele des vorliegenden Konzepts im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before exemplary embodiments of the present concept are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical elements, objects, function blocks and/or method steps that have the same function or have the same effect are provided with the same reference symbols in the different figures, so that the The description of these elements, objects, function blocks and/or method steps shown in the exemplary embodiments is interchangeable or can be applied to one another.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können Abmessungen von dargestellten Elementen, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung nicht maßstäblich dargestellt sein.Various embodiments will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which some embodiments are illustrated. In the figures, dimensions of illustrated elements, layers and/or regions may not be drawn to scale for clarity.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).It should be understood that when an element is referred to as being “connected” or “coupled” to another element, it may be directly connected or coupled to the other element, or intermediary elements may be present. In contrast, when an element is said to be "directly connected" or "coupled" to another element, there are no intermediate elements present. Other terms used to describe the relationship between elements should be construed in a similar manner (e.g., "between" versus "directly between," "adjacent" versus "directly adjacent," etc.).
Zur Vereinfachung der Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele weisen die
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Magnetfeld-Sensoren, die ein oder mehrere Magnetfeld-Sensorelemente aufweisen können. Magnetfeld-Sensorelemente können in Halbleitertechnologie in einem Halbleitersubstrat hergestellt sein, wobei das Halbleitersubstrat beispielsweise ein Silizium-Material aufweisen kann. Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Hallsensorelemente, die als einzelne magnetfeldempfindliche Sensorelemente ausgebildet sein können, sowie auf Hallsensoren, die als die Sensoranordnung mit zumindest einem oder auch einer Mehrzahl von einzelnen Hallsensorelementen und beispielsweise der zugehörigen Ansteuerschaltung und (optional) der Auswerteschaltung ausgebildet sein können. Die Ansteuerschaltung mit der optionalen Auswerteschaltung wird auch als Verarbeitungseinrichtung bezeichnet.The following exemplary embodiments relate to magnetic field sensors that can have one or more magnetic field sensor elements. Magnetic field sensor elements can be produced using semiconductor technology in a semiconductor substrate, with the semiconductor substrate being able to have a silicon material, for example. The following exemplary embodiments relate to Hall sensor elements, which can be embodied as individual magnetic field-sensitive sensor elements, and to Hall sensors, which can be embodied as the sensor arrangement with at least one or also a plurality of individual Hall sensor elements and, for example, the associated control circuit and (optional) the evaluation circuit. The drive circuit with the optional evaluation circuit is also referred to as a processing device.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Konzepts wird darauf hingewiesen, dass eine Bezugnahme auf einen Widerstand oder Widerstandswert des jeweiligen Hallsensorelements bzw. dessen Temperaturabhängigkeit entsprechend auch auf eine von dem elektrischen Widerstand (oder Widerstandswert) des Hallsensorelements abhängige oder abgeleitete (ableitbare) Betriebsgröße bzw. deren Temperaturabhängigkeit anwendbar ist.With regard to the following description of the exemplary embodiments of the concept according to the invention, it is pointed out that reference to a resistance or resistance value of the respective Hall sensor element or its temperature dependence also refers to an operating variable or whose temperature dependence is applicable.
Im Folgenden wird nun anhand der
Zur weiteren Erläuterung wird ferner auf die
Die von dem elektrischen Widerstandswert (RHall = R1) des Hallsensorelements 20 abhängige Betriebsgröße X kann nun also beispielsweise (1.) der elektrische Widerstandswert RHall des Hallsensorelements 20 sein, oder kann ferner (2.) der elektrische Leitfähigkeitswert (1/RHall) des Hallsensorelements 20 sein, oder kann (3.) im spannungsgesteuerten Betrieb mit einer vorgegebenen (oder konstanten) Versorgungsspannung, der resultierende (oder eingeprägte) Versorgungsstrom des Hallsensorelements 20 sein, oder kann (4.) im stromgesteuerten Betrieb mit einem vorgegebenen (oder konstanten) Versorgungsstrom, die resultierende (oder eingeprägte) Versorgungsspannung des Hallsensorelements 20 sein, oder kann (5.) im freilaufenden Betrieb, der elektrische Widerstandswert RHall oder der elektrische Leitfähigkeitswert (1/RHall) des Hallsensorelements (20) gemäß dem ohmschen Gesetz „R = U / I“ basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (= RHall im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) sein.The operating variable X, which is dependent on the electrical resistance value (R Hall =R 1 ) of
Zur weiteren Erläuterung wird ferner auf die
Die Verläufe von
Wie in
Bei Schritt 110 wird eine Referenzempfindlichkeit So und ein Referenzwert X0 der Betriebsgröße X, z.B. während eines Betriebszustands zur Referenzwerterfassung, des Hallsensorelements 20 ermittelt. Dabei kann die Referenzempfindlichkeit So und der Referenzwert X0 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20, der einem Temperaturwert zugeordnet ist, z.B. bei einem Referenztemperaturwert T0, ermittelt werden. Das Ermitteln kann beispielsweise ein Abrufen oder Bereitstellen der Werte für So und/oder X0 aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 oder das Messen bzw. Erfassen der Werte für So und/oder X0 umfassen.In
Bei Schritt 120 wird ein Momentanwert X1 der Betriebsgröße X, z.B. während eines Betriebszustands zur Momentanwerterfassung, des Hallsensorelements 20 basierend auf einem Ansteuersignal SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt. Wie bereits im Vorhergehenden angegeben kann eine Betriebsart bzw. ein Betriebszustand ein spannungsgesteuerter Betrieb, ein stromgesteuerter Betrieb, oder ein freilaufender Betrieb des Hallsensorelements 20 sein.In
Bei Schritt 130 wird nun die (momentane) Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit S0, auf dem Referenzwert X0 der Betriebsgröße X, auf dem Momentanwert X1 der Betriebsgröße X und auf dem Wirkzusammenhang bestimmt.In
Gemäß dem Ausführungsbeispiel bezieht sich das vorliegende Konzept auf einen bekannten, ermittelten oder vorgegebenen Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit SHall und der Temperaturabhängigkeit der von dem elektrischen Widerstand (oder Widerstandswert) des Hallsensorelements 20 abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20, wobei sich die Empfindlichkeit des Hallelements als auch die davon abgeleitete Betriebsgröße X des Hallsensorelements über der Temperatur ändern, und wobei die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit SHall und die temperaturbedingte Änderung der davon abgeleiteten Betriebsgröße X des Hallelements in einer z.B. vorgegebenen Beziehung zueinander stehen. Dieser Wirkzusammenhang bzw. diese vorgegebene Beziehung wird nun ausgenutzt, um über die Änderung der Betriebsgröße X des Hallsensorelements, d. h. über den Vergleich des Momentanwerts der Betriebsgröße X des Hallsensorelements mit einem Referenzmesswert der Betriebsgröße X des Hallsensorelements, auf die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 zu schließen, d. h. um auf die etwaige Änderung gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswerts S0 des Hallsensorelements 20 zu schließen.According to the exemplary embodiment, the present concept relates to a known, ascertained or specified functional relationship between the temperature dependency of the sensitivity S Hall and the temperature dependency of the operating variable X of the
Die Referenzempfindlichkeit bzw. der Referenzempfindlichkeitswert S0 als auch der Referenzwert X0 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 werden beispielsweise bei einem Referenztemperaturwert, z.B. bei einem vorgegebenen (oder konstanten) Temperaturwert T0, ermittelt. Wird nun der Momentanwert X1 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements basierend auf einem in das Hallsensorelement 20 eingeprägten Ansteuersignal SIN bestimmt, kann nun daraus unmittelbar die (momentane) Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 basierend auf der Referenzempfindlichkeit S0, dem Referenzwert X0 der Betriebsgröße X und dem ermittelten Momentanwert der Betriebsgröße X1 ermittelt werden, wobei dazu der Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit SHall und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 berücksichtigt wird.The reference sensitivity or the reference sensitivity value S 0 as well as the reference value X 0 of the operating variable X of
Da nun die Herstellungstechnologie, der jeweilige Aufbau als auch die verwendeten Halbleitermaterialien einen Einfluss auf den Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit SHall und der Temperaturabhängigkeit der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 haben, kann der Wirkzusammenhang für jeden Typ von Hallsensorelement ermittelt und beispielsweise als Rechenvorschrift bereitgestellt werden.Since the manufacturing technology, the respective structure and the semiconductor materials used have an influence on the functional relationship between the temperature dependence of the sensitivity S Hall and the temperature dependence of the operating variable X of the
Zur weiteren Erläuterung wird ferner auf die
Wie in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 100 zur Empfindlichkeitsbestimmung auch bei einem Hallsensor 10 mit einer Mehrzahl von Hallsensorelementen 20 angewendet werden, um die jeweilige Empfindlichkeit der einzelnen Hallsensorelemente 20 des Hallsensors 10 zu bestimmen. So kann der Hallsensor 10 eine Mehrzahl (≥ 2) von Hallsensorelementen 20 aufweisen, wobei die Schritte des Verfahrens für jedes Hallsensorelement oder für jedes Hallsensorelement unterschiedlichen Typs der Mehrzahl von Hallsensorelementen 20 durchgeführt werden kann.According to one exemplary embodiment,
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Mehrzahl von Hallsensorelementen zumindest ein Hallsensorelement 20 eines ersten Sensor-Typs und ein weiteres Hallsensorelement 20' eines weiteren zu dem ersten Sensor-Typ unterschiedlichen Sensor-Typs auf. So können das Hallsensorelement 20 und das weitere Hallsensorelement 20' eine unterschiedliche Temperaturdrift der jeweiligen Empfindlichkeit aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Hallsensorelement 20 ein laterales Hallsensorelement auf, wobei das weitere Hallsensorelement 20' ein vertikales Hallsensorelement aufweist.According to one exemplary embodiment, the plurality of Hall sensor elements has at least one
Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Hallsensorelemente 20, die als einzelne magnetfeldempfindliche Sensorelemente 20 ausgebildet sein können, sowie auf Hallsensoren 10, die als die Sensoranordnung mit zumindest einem oder auch einer Mehrzahl von einzelnen Hallsensorelementen 20 und beispielsweise der zugehörigen Ansteuerschaltung und (optional) der Auswerteschaltung ausgebildet sein können. Die Ansteuerschaltung mit der optionalen Auswerteschaltung wird auch als Verarbeitungseinrichtung 30 bezeichnet.The following exemplary embodiments relate to
Laterale Hallsensorelemente 20 sind beispielweise als dünne dotierte Halbleiter-Schichten in einem Substratmaterial 40 (in der x-y-Ebene) und weisen beispielsweise vier (oder mehr) Elektroden 20-1, ..., 20-4 auf. Durch zwei gegenüberliegenden Elektroden 20-1/-2 wird ein Ansteuersignal SIN, z.B. ein Strom oder eine Spannung, eingespeist (eingeprägt), die beiden orthogonal dazu liegenden Elektroden 20-3/-4 dienen der Abnahme des Ausgangssignal SOUT, d.h. der Hall-Spannung UHall. Wird ein solches laterales Hallsensorelement 20 von einem senkrecht (vertikal = parallel zur z-Richtung) zur Schicht verlaufenden Magnetfeld B bzw. einer resultierenden Magnetfeldkomponente Bz durchströmt, liefert das Hallsensorelement 20 eine Ausgangsspannung SOUT, die proportional zum (vorzeichenbehafteten) Betrag des Vektorproduktes aus magnetischer Flussdichte B und Stromstärke ist. Die Ursache ist die Lorentz-Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in der aktiven Halbleiterschicht.Lateral
Vertikale Hallsensorelemente 20 erstrecken sich vertikal in das Halbleitersubstrat und werden an deren Oberflächenbereich kontaktiert. Wird ein solches vertikales Hallsensorelement von einem parallel (lateral = parallel zur x-y-Ebene) zur Substratoberfläche verlaufenden Magnetfeld bzw. einer resultierenden Magnetfeldkomponente durchströmt, liefert das Hallsensorelement eine Ausgangsspannung, die proportional zum (vorzeichenbehafteten) Betrag des Vektorproduktes aus magnetischer Flussdichte und Strom ist aufgrund der Lorentz-Kraft auf die sich bewegenden Majoritätsladungsträger in dem Hallsensorelement. Vertical
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Hallsensor 10 eine Mehrzahl (≥ 2) von Hallsensorelementen 20 aufweisen, die zur zwei-dimensionalen Erfassung eines Magnetfelds B, z.B. in einem Referenzpunkt, entlang zweier linear unabhängiger Ortsvektoren oder orthogonaler Ortsvektoren ausgebildet sind. Bei einem 2D-Hall-Sensor 10 sind beispielsweise zumindest zwei Hall-Sensorelemente 20 so angeordnet, dass deren Empfindlichkeitsrichtungen (möglichst ausgehend von einem gemeinsamen Ursprungspunkt oder Mittelpunkt) entlang von zweit orthogonalen Raumachsen ausgerichtet sind.According to one exemplary embodiment,
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Hallsensor 10 eine Vielzahl (≥ 3) von Hallsensorelementen 20 aufweisen, die zur drei-dimensionalen Erfassung eines Magnetfelds B, z.B. in einem Referenzpunkt, entlang dreier linear unabhängiger Ortsvektoren oder orthogonaler Ortsvektoren ausgebildet sind. Bei einem 3D-Hall-Sensor 10 sind beispielsweise zumindest drei Hall-Sensorelemente 20 so angeordnet, dass deren Empfindlichkeitsrichtungen (möglichst ausgehend von einem gemeinsamen Ursprungspunkt oder Mittelpunkt) entlang der drei orthogonalen Raumachsen ausgerichtet sind.According to one exemplary embodiment,
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der in das Hallsensorelement 20 eingeprägte Betriebsstrom SIN zur Bestimmung des Referenzwerts X0 und/oder des Momentanwerts X1 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 mittels einer Stromspiegelschaltung 60 ausgekoppelt werden. Die Stromspiegelschaltung 60 kann eingangsseitig oder ausgangsseitig bezüglich des Hallsensorelements 20 angeordnet sein.According to one exemplary embodiment, the operating current S IN impressed on
Bei einem optionalen weiteren Schritt 140 wird die momentane Empfindlichkeit SHall (= S1) des Hallsensorelements 20 basierend auf der Referenzempfindlichkeit So und auf dem Verhältnis zwischen dem Referenzwert X0 der Betriebsgröße X und dem ermittelten Momentanwert X1 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 bestimmt.In an optional
So kann gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Änderung des Verhältnisses zwischen dem Referenzwert X0 der Betriebsgröße X und dem ermittelten Momentanwert X1 der Betriebsgröße X einer Änderung der Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 entsprechen.According to one exemplary embodiment, a change in the ratio between the reference value X 0 of the operating variable X and the determined instantaneous value X 1 of the operating variable X can correspond to a change in the sensitivity S Hall of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Hallempfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit µ sein, während die Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit µ in dem Halbleitermaterial (= aktiver Bereich) des Hallsensorelements 20 sein kann.According to one embodiment, for example, the Hall sensitivity S Hall of a
Bei einem solchen Wirkzusammenhang lässt sich beispielsweise eine Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements 20 definieren, die als „Produkt“ der Referenzempfindlichkeit S0 und des Referenzwerts X0 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements angegeben wird. Dies ist beispielweise der Fall, wenn die von dem elektrischen Widerstandswert (RHall = R1) des Hallsensorelements 20 abhängige Betriebsgröße X - der elektrische Widerstandswert RHall des Hallsensorelements 20 ist, - im Spannungs-gesteuerten Betrieb, der Versorgungsstrom SIN des Hallsensorelements 20 ist, oder (-) im freilaufenden Betrieb, der elektrische Widerstandswert RHall des Hallsensorelements 20 (gemäß dem ohmschen Gesetz R = U / I) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (= RHall im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) ist.With such a causal relationship, for example, an operating variable-normalized sensitivity of
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt 150 des Bestimmens eines Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts SXN des Hallsensorelements 20 als Produkt der Referenzempfindlichkeit So und des Referenzwerts X0 der Betriebsgröße X des jeweiligen Hallsensorelements 20 entsprechend dem folgendem Zusammenhang (Formel 1) aufweisen:
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 100 ferner einen weiteren Schritt des Bestimmens 160 der (momentanen) Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 2) aufweisen:
mit X0 = Referenzwert
X1 = Momentanwert der Betriebsgröße
SXN = Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkt des jeweiligen Hallsensorelements.According to one exemplary embodiment, the
with X 0 = reference value
X 1 = instantaneous value of the operating variable
S XN = operating variable sensitivity product of the respective Hall sensor element.
Bei dem oben dargestellten Wirkzusammenhang (wenn die Hallempfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit µ ist, während die Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit µ in dem Halbleitermaterial (= aktiver Bereich) des Hallsensorelements 20 ist) lässt sich beispielsweise auch eine Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements 20 definieren, die als „Quotient“ der Referenzempfindlichkeit So und des Referenzwerts X0 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements angegeben wird. Dies ist beispielweise der Fall, wenn die von dem elektrischen Widerstandswert (RHall = R1) des Hallsensorelements 20 abhängige Betriebsgröße X - die von dem elektrischen Widerstandswert (RHall = R1) des Hallsensorelements (20) abhängige Betriebsgröße (X) der elektrische Leitfähigkeitswert (1/RHall) des Hallsensorelements (20) ist, z.B. im freilaufenden Betrieb, der elektrische Leitfähigkeitswert (1/RHall) des Hallsensorelements 20 (gemäß dem ohmschen Gesetz R = U / I) basierend auf dem Versorgungsstrom und der Versorgungsspannung des Hallsensorelements (= RHall im Arbeitspunkt des Hallsensorelements) oder (-) im Stromgesteuerten Betrieb, die Versorgungsspannung des Hallsensorelements 20) ist.In the case of the above-described functional relationship (if the Hall sensitivity S Hall of a
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt 180 des Bestimmens eines Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotienten (SXN) des jeweiligen Hallsensorelements (20) als Quotient der Referenzempfindlichkeit (S0) und des Referenzwerts (X0) der Betriebsgröße (X) des jeweiligen Hallsensorelements (20) entsprechend dem folgendem Zusammenhang (Formel 3) aufweisen:
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt des Bestimmens 190 der (momentanen) Empfindlichkeit S des jeweiligen Hallsensorelements aufweisen basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 4): mit
X0 = Referenzwert der Betriebsgröße
X1 = Momentanwert der Betriebsgröße
SXN = Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotient des jeweiligen Hallsensorelements 20.The
X 0 = reference value of the operating variable
X 1 = instantaneous value of the operating variable
S XN = sensitivity-operating variable quotient of the respective
Den obigen Ausführungsbeispielen des Verfahrens 100 ist nun gemeinsam, dass die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20, d. h. die (temperaturabhängige) Abweichung der momentanen Empfindlichkeit SHALL gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert, basierend auf dem eingeprägten Ansteuersignal SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt werden kann, wodurch die Empfindlichkeitsbestimmung des Hallsensorelements 20 unabhängig von Kalibriermagnetfeldern etc. äußerst effizient und schnell durchgeführt werden kann.The above exemplary embodiments of
Gemäß einem möglichen Anwendungsszenario kann mit dem Verfahren 100 ein Empfindlichkeitsgleichlauf bei Hallsensoren 10 mit mehreren Hallsensorelementen 20, wie z.B. bei 2D- oder 3D-Hallsensoren und allgemein bei ratiometrischen Messsystemen, erhalten werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Hallsensor 10 eine Mehrzahl (≥ 2) von Hallsensorelementen 20 auf und ist Teil eines ratiometrischen Messsystems.According to a possible application scenario, the
In ratiometrischen Messsystemen, wie beispielsweise Winkelsensoren, ist der Gleichlauf der vertikalen und horizontalen Hallsensorelemente 20 wichtig. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, wirkt die (temperaturbedingte) Drift der Empfindlichkeit SHall auf die unterschiedlichen (beiden) Sensortypen unterschiedlich. Dies führt zu Messfehlern. Folglich werden Sensoranordnungen 10 für ratiometrische Messungen derzeit häufig so gewählt werden, dass das zu messende Magnetfeld B nur in X-/Y-Richtung oder nur in Z-Richtung an den Hallsensorelementen 20 (z.B. vertikalen Hallsensorelementen 20) des Hallsensors 10 anliegt.In ratiometric measuring systems, such as angle sensors, the synchronization of the vertical and horizontal
Um den Unterschied in der Empfindlichkeitsdrift unterschiedlicher Hallsensorelemente, z.B. lateraler und vertikaler Hallsensorelemente, zu demonstrieren, wurde das Verhältnis der Empfindlichkeiten SHall beider Sensortypen bei 25°C gebildet (Bz / Bx) und anschließend die Empfindlichkeit SHall des Z-Sensors durch diesen Quotienten an jeder Stelle über Temperatur geteilt (Bz auf Bx abgeglichen), siehe beispielsweise auch
Das anhand von
So weist das Verfahren 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit SHall, z.B. einer momentanen magnetischen Empfindlichkeit, eines Hallsensorelements 20 unter Berücksichtigung eines bekannten, z.B. ermittelten oder vorgegebenen, Wirkzusammenhangs zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit SHall und der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands RHall, z.B. des Innenwiderstands oder Hall-Widerstands, des Hallsensorelements 20 folgende Schritte auf.
Bei Schritt 110 wird eine Referenzempfindlichkeit S0 und ein elektrischer Referenzwiderstandswerts R0 des Hallsensorelements ermittelt. Dabei kann die Referenzempfindlichkeit S0 und der elektrische Referenzwiderstandswert R0 des Hallsensorelements 20, der einem Temperaturwert zugeordnet ist, z.B. bei einem Referenztemperaturwert T0, ermittelt werden. Das Ermitteln kann beispielsweise ein Abrufen oder Bereitstellen der Werte für S0 und/oder R0 aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 oder das Messen bzw. Erfassen der Werte für S0 und/oder R0 umfassen.In
Bei Schritt 120 wird ein momentaner elektrischer Widerstandswerts R1 des Hallsensorelements basierend auf einem Ansteuersignal SIN, z.B. einem eingeprägten Ansteuerstrom oder einer eingeprägten Ansteuerspannung, in das Hallsensorelement 20 bestimmt.In
Bei Schritt 130 wird nun die (momentane) Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements basierend auf der Referenzempfindlichkeit So, auf dem elektrischen Referenzwiderstandswert R0, auf dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswert R1 (= RHall) und auf dem Wirkzusammenhang bestimmt.In
Gemäß dem Ausführungsbeispiel bezieht sich das vorliegende Konzept auf einen bekannten, ermittelten oder vorgegebenen Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit SHall und der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands RHall des Hallsensorelements 20 darauf, wobei sich die Empfindlichkeit des Hallelements als auch der elektrische Widerstand des Hallelements über der Temperatur ändern, und wobei die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit SHall und die temperaturbedingte Änderung des Widerstands RHall des Hallelements in einer (vorgegebenen) Beziehung zueinander stehen. Dieser Wirkzusammenhang bzw. diese vorgegebene Beziehung wird nun ausgenutzt, um über die Änderung des elektrischen Widerstands des Hallelements, d. h. über den Vergleich des momentanen Widerstandswerts des Hallsensorelements mit einem Referenzmesswert des Widerstands des Hallsensorelements, auf die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 zu schließen, d. h. auf die etwaige Änderung gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert So des Hallsensorelements 20.According to the exemplary embodiment, the present concept relates to a known, ascertained or predetermined effective relationship between the temperature dependency of the sensitivity S Hall and the temperature dependency of the electrical resistance R Hall of
Die Referenzempfindlichkeit (bzw. der Referenzempfindlichkeitswert) S0 als auch der elektrische Referenzwiderstandswert R0 des Hallsensorelements 20 werden beispielsweise bei einem Referenztemperaturwert (= einem konstanten Temperaturwert) T0 ermittelt. Wird nun der momentane elektrische Widerstandswert R1 (= RHall) des Hallsensorelements basierend auf einem in das Hallsensorelement 20 eingeprägten Ansteuersignal SIN gemäß dem ohmschen Gesetz bestimmt, kann nun daraus unmittelbar die (momentane) Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 basierend auf der Referenzempfindlichkeit So, dem elektrischen Referenzwiderstandswert R0 und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswert R1 ermittelt werden, wobei dazu der Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit SHall und der Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts RHall des Hallsensorelements 20 berücksichtigt wird.The reference sensitivity (or the reference sensitivity value) S 0 as well as the electrical reference resistance value R 0 of the
Da nun die Herstellungstechnologie, der jeweilige Aufbau als auch die verwendeten Halbleitermaterialien einen Einfluss auf den Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit SHall und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands RHall eines Hallsensorelements 20 haben, kann der Wirkzusammenhang für jeden Typ von Hallsensorelement ermittelt und beispielsweise als Rechenvorschrift bereitgestellt werden.Since the manufacturing technology, the respective structure and the semiconductor materials used have an influence on the functional relationship between the temperature dependence of the sensitivity S Hall and the temperature dependence of the resistance R Hall of a
Bei dem optionalen weiteren Schritt 140 wird die momentane Empfindlichkeit SHall (= S1) des Hallsensorelements 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel basierend auf der Referenzempfindlichkeit S0 und auf dem Verhältnis (als ein Beispiel für den Wirkzusammenhang) zwischen dem elektrischen Referenzwiderstandswert R0 und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswert R1 des Hallsensorelements bestimmt.In the optional
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise die Hallempfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit µ sein, während der Hallwiderstand RHall des Hallsensorelements 20 indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit µ in dem Halbleitermaterial (= aktiver Bereich) des Hallsensorelements 20 sein kann.According to one embodiment, for example, the Hall sensitivity S Hall of a
Bei einem solchen Wirkzusammenhang lässt sich beispielsweise eine widerstandsnormierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements 20 definieren, die als „Produkt“ der Referenzempfindlichkeit S0 und des elektrischen Referenzwiderstandswerts R0 des Hallsensorelements angegeben wird.With such an active relationship, a resistance-normalized sensitivity of the
Im Folgenden werden einige physikalische und technologischen Zusammenhänge bei Hallsensorelementen 20 beispielhaft dargelegt, wobei aber darauf hingewiesen wird, dass die jeweils verwendete Herstellungstechnologie, der jeweilige Aufbau als auch die verwendeten Halbleitermaterialien einen Einfluss auf den Wirkzusammenhang zwischen der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit und der Temperaturabhängigkeit des Widerstands eines Hallsensorelements haben und damit die nachfolgenden Ausführungen zum Wirkzusammenhang nur als beispielhaft anzusehen sind.In the following, some physical and technological relationships in
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements 20 zeichnen sich dadurch aus, dass die Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 in dessen elektrischem Widerstand RHall beobachtbar und somit indirekt messbar ist. Grundlage des erfindungsgemäßen Konzepts ist die Verknüpfung der Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 mit dessen elektrischem Widerstand RHall.Exemplary embodiments of the
Im spannungsgesteuerten Betrieb ist die Empfindlichkeit SHALL eines Hallsensorelements 20 durch folgende Formel (5) definiert:
Ein Hallsensorelement kann als Wheatstone'sche Widerstandsmessbrücke angesehen werden. Der Gesamtwiderstand des Hallsensorelements 20 berechnet sich mit dessen Materialcharakteristika, der Dotierstoffkonzentration n, Ladung q, Ladungsträgerbeweglichkeit µ sowie dessen Geometrie der Länge l und Querschnittsfläche A, nach folgender Formel (6):
Die Dotierstoffkonzentration n ist vom Herstellungsprozess des Hallsensorelements 20 vorgegeben. Die sensorgeometrischen Parameter l und A werden während der Entwicklung des Hallsensorelements festgelegt. Somit ist davon auszugehen, dass die Drifteigenschaften des Hallsensorwiderstands RHall durch die Ladungsträgerbeweglichkeit µ definiert ist. Im direkten Vergleich zur Empfindlichkeit SHall in Formel (5), ist die Driftcharakteristik des Widerstands RHall indirekt proportional. Dies bestätigt die Messung des Widerstands eines Hallsensorelements, welche beispielhaft in
Beide Größen SHall und RHall können miteinander zur sogenannten widerstandsnormierten Empfindlichkeit gemäß dem Zusammenhang bzw. der Formel (7)
Da im spannungsgesteuerten Betrieb, wie oben erwähnt, die Versorgungsspannung SIN = VHALLSUP des Hallsensorelements 20 auf einen konstanten Wert geregelt wird, ist zur Erfassung des elektrischen Widerstands R1 eine Messung des (resultierenden) Sensorstroms durch das Hallsensorelement 20 ausreichend. Dies kann sowohl im Fall integrierter Hallsensorsysteme 10 auf den jeweiligen Chips 40 selbst geschehen, als auch extern durchgeführt werden. Für verschiedene Betriebsarten von Hallsensoren 10 bzw. Hallsensorelementen 20 ergeben sich die folgenden Messgrößen zur Erfassung des elektrischen Widerstands RHall des Sensors10 bzw. Sensorelements 20:
- A) Spannungsgesteuerter Betrieb: Messung/Ermittlung des Hallsensorversorgungsstroms, da die Versorgungsspannung fest eingestellt oder vorgegeben ist
- B) Stromgesteuerter Betrieb: Messung/Ermittlung der Hallsensorversorgungsspannung, da der Versorgungsstrom fest eingestellt oder vorgegeben ist
- C) Ungeregelt betriebener (freilaufender) Hall-Sensor: Messung/Ermittlung des Versorgungsstroms sowie der Versorgungsspannung (zur Arbeitspunktermittlung)
- A) Voltage-controlled operation: Measurement/determination of the Hall sensor supply current, since the supply voltage is fixed or specified
- B) Current-controlled operation: Measurement/determination of the Hall sensor supply voltage, since the supply current is fixed or specified
- C) Unregulated (free-running) Hall sensor: Measurement/determination of the supply current and the supply voltage (to determine the operating point)
Basierend auf den verschiedene Betriebsarten A, B und C von Hallsensoren 10 bzw. Hallsensorelementen 20 wird deutlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 gemäß den
Gemäß Ausführungsbeispielen kann alternativ oder zusätzlich zu dem elektrischen Widerstand des jeweiligen Hallelements 20 auch eine von dem elektrischen Widerstandswert RHall des Sensorelements 20 abhängige oder abgeleitete Größe X (Referenzgröße X0, Momentangröße X1) ermittelt werden, Somit kann von der Änderung des Verhältnisses zwischen der elektrischen Referenzgröße X0 und der ermittelten Momentangröße X1 auf die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 geschlossen werden.According to exemplary embodiments, as an alternative or in addition to the electrical resistance of the
Betriebsart A: der ermittelte Hallsensorversorgungsstrom bildet bei der fest eingestellten oder vorgegebenen Versorgungsspannung die von dem elektrischen Widerstandswert RHall des Sensorelements 20 abhängige (oder abgeleitete) Größe X (mit der Referenzgröße = Referenzstromwert X0 und der Momentangröße = Momentanstromwert X1).Operating mode A: the determined Hall sensor supply current forms the variable X dependent on (or derived) from the electrical resistance value R Hall of the sensor element 20 (with the reference variable=reference current value X 0 and the instantaneous variable=instantaneous current value X 1 ) at the permanently set or specified supply voltage.
Betriebsart B: die ermittelte Hallsensorversorgungsspannung bildet bei dem fest eingestellten oder vorgegebenen Versorgungsstrom die von dem elektrischen Widerstandswert RHall des Sensorelements 20 abhängige (oder abgeleitete) Größe X (mit der Referenzgröße = Referenzspannungswert X0 und der Momentangröße = Momentanspannungswert X1). Operating mode B: the determined Hall sensor supply voltage forms the variable X dependent on (or derived) from the electrical resistance value R Hall of the
Betriebsart C: das Verhältnis von ermittelter Hallsensorversorgungsspannung und ermitteltem Hallsensorversorgungsstrom bildet die von dem elektrischen Widerstandswert (RHall) des Sensorelements (20) abhängige (oder abgeleitete) Größe X (mit der Referenzgröße X0 und der Momentangröße X1). Die von dem elektrischen Widerstandswert RHall des Sensorelements 20 abhängige (oder abgeleitete) Größe X (mit der Referenzgröße X0 und der Momentangröße X1) kann also der elektrische Widerstand selbst oder der elektrische Leitfähigkeitswert des Sensorelements 20 sein. Die Größe X kann also gemäß dem ohmschen Gesetz aus der ermittelten Hallsensorversorgungsspannung und dem ermittelten Hallsensorversorgungsstrom bestimmt werden.Operating mode C: the ratio of the Hall sensor supply voltage determined and the Hall sensor supply current determined forms the variable X (with the reference variable X 0 and the instantaneous variable X 1 ) that is dependent (or derived) on the electrical resistance value (R Hall ) of the sensor element (20). The dependent (or derived) of the electrical resistance R Hall of the
In der Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele können als die Begriffe elektrischer Widerstand (Widerstandswert) oder die von dem elektrischen Widerstandswert RHall des Sensorelements 20 abhängige oder abgeleitete Betriebsgröße X (ermittelter Hallsensorversorgungsstrom, ermittelte Hallsensorversorgungsspannung und/oder ermitteltes Verhältnis aus Hallsensorversorgungsstrom und Hallsensorversorgungsspannung) angewendet werden.In the description of the exemplary embodiments according to the invention, the terms electrical resistance (resistance value) or the operating variable X (determined Hall sensor supply current, determined Hall sensor supply voltage and/or determined ratio of Hall sensor supply current and Hall sensor supply voltage) which is dependent on or derived from the electrical resistance value R Hall of
Das beschriebene Verfahren 100 und die in den folgenden Abschnitten beschriebenen Einsatzszenarien sind auf alle Arten von Hallsensoren 10 bzw. Hallsensorelemente 20, diskret oder integriert, anwendbar.The
Bei dem optionalen weiteren Schritt 140 wird also die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel basierend auf der Referenzempfindlichkeit S0 und auf dem Verhältnis (= ein Beispiel für den Wirkzusammenhang) zwischen dem elektrischen Referenzwiderstandswert R0 und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswert R1 des Hallsensorelements 20 bestimmt.In the optional
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist also beispielsweise die Hallempfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 proportional zur Ladungsträgerbeweglichkeit µ, während der Hallwiderstand RHall des Hallsensorelements 20 indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit µ in dem Halbleitermaterial des Hallsensorelements 20 ist.According to one exemplary embodiment, Hall sensitivity S Hall of
Somit kann angenommen werden, dass eine Änderung des Verhältnisses zwischen dem elektrischen Referenzwiderstandswert R0 (bzw. dem Referenzwert X0 der Betriebsgröße X) und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswerts RHall = R1 (bzw. dem Momentanwert X1 der Betriebsgröße X) innerhalb eines Toleranzbereichs von z.B. weniger als 30%, 20%, 10%, 5%, 1 % oder 0,1 % einer Änderung der Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 entspricht.It can thus be assumed that a change in the ratio between the electrical reference resistance value R 0 (or the reference value X 0 of the operating variable X) and the determined instantaneous electrical resistance value R Hall = R 1 (or the instantaneous value X 1 of the operating variable X) within a tolerance range of, for example, less than 30%, 20%, 10%, 5%, 1% or 0.1% of a change in sensitivity S Hall of
Der Toleranzbereich gibt also den Bereich an, innerhalb dessen von der Änderung des Verhältnisses zwischen dem elektrischen Referenzwiderstandswert R0 und dem ermittelten momentanen elektrischen Widerstandswerts R1 auf die temperaturbedingte Änderung der Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 geschlossen werden kann. Umso geringer der Toleranzbereich eingehalten werden kann, umso genauer kann die momentane Empfindlichkeitsbestimmung SHall und damit die Temperaturkalibration durchgeführt werden.The tolerance range therefore indicates the range within which the change in the ratio between the electrical reference resistance value R 0 and the determined instantaneous electrical resistance value R 1 can be used to infer the temperature-related change in sensitivity S Hall of
Bei einem solchen Wirkzusammenhang lässt sich beispielsweise die widerstandsnormierte Empfindlichkeit des Hallsensorelements definieren, die als Produkt (siehe obige Formel 7) der Referenzempfindlichkeit und des elektrischen Referenzwiderstandswerts des Hallsensorelements angegeben wird.With such an active relationship, the resistance-normalized sensitivity of the Hall sensor element can be defined, for example, which is specified as the product (see formula 7 above) of the reference sensitivity and the electrical reference resistance value of the Hall sensor element.
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt 150 des Bestimmens des Widerstand-Empfindlichkeit-Produkts (= widerstandsnormierte Empfindlichkeit) SRN des Hallsensorelements als Produkt der Referenzempfindlichkeit S0 und des elektrischen Referenzwiderstandswerts R0 des jeweiligen Hallsensorelements entsprechend dem Zusammenhang von Formel (7) aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren 100 ferner einen weiteren Schritt des Bestimmens 160 der (momentanen) Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 8) aufweisen:
R1 = momentaner elektrischer Widerstandswert
SRN = Widerstand-Empfindlichkeit-Produkt des jeweiligen Hallsensorelements 20.The
R 1 = instantaneous electrical resistance
SRN = resistance-sensitivity product of the respective
Gemäß einem möglichen Anwendungsszenario kann mit dem Verfahren 100 ein Empfindlichkeitsgleichlauf bei Hallsensoren 10 mit mehreren Hallsensorelementen 20, wie z.B. bei 2D- oder 3D-Hallsensoren und allgemein bei ratiometrischen Messsystemen, erhalten werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Hallsensor 10 eine Mehrzahl (≥ 2) von Hallsensorelementen 20 auf und ist Teil eines ratiometrischen Messsystems.According to a possible application scenario, the
In ratiometrischen Messsystemen, wie beispielsweise Winkelsensoren, ist der Gleichlauf der vertikalen und horizontalen Hallsensorelemente 20 wichtig. Wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, wirkt die (temperaturbedingte) Drift der Empfindlichkeit SHall auf die unterschiedlichen (beiden) Sensortypen unterschiedlich. Dies führt zu Messfehlern. Folglich werden Sensoranordnungen 10 für ratiometrische Messungen derzeit häufig so gewählt, dass das zu messende Magnetfeld B nur in X-/Y-Richtung oder nur in Z-Richtung an den Hallsensorelementen 20 (z.B. vertikalen Hallsensorelementen 20) des Hallsensors 10 anliegt.In ratiometric measuring systems, such as angle sensors, the synchronization of the vertical and horizontal
Um den Unterschied in der Empfindlichkeitsdrift unterschiedlicher Hallsensorelemente, z.B. lateraler und vertikaler Hallsensorelemente, zu demonstrieren, wurde das Verhältnis der Empfindlichkeiten SHall beider Sensortypen bei 25°C gebildet (BZ / BX) und anschließend die Empfindlichkeit SHall des Z-Sensors durch diesen Quotienten an jeder Stelle über Temperatur geteilt (Bz auf Bx abgeglichen).
Durch einen Abgleich mit Hilfe der widerstandsnormierten Empfindlichkeit SRN,BZ des Z-Sensors auf die des X-Sensors SRN,BX wird ein Gleichlauf der Empfindlichkeitsdrift beider Hallsensorelemente erreicht, wie dies in
Betrachtet man die Abweichung der Drift der widerstandsnormierten Empfindlichkeit des Z-Sensors zur Drift der widerstandsnormierten Empfindlichkeit des X-Sensors, so beträgt diese dabei weniger als 1 %, wie in
Gemäß den im vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen des vorliegenden Konzepts 100 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 kann also beispielsweise basierend auf den oben genannten Randbedingungen, z. B. Herstellungstechnologie, Sensoraufbau, Halbleitermaterial etc., die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit des Hallsensorelements proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit sein, während die Temperaturabhängigkeit des Hallwiderstands des Hallsensorelements indirekt proportional zu der Ladungsträgerbeweglichkeit sein.According to the exemplary embodiments of the
Das anhand von
Bei dem optionalen weiteren Schritt 170 wird die (momentane) Empfindlichkeit des Hallsensorelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel basierend auf der Referenzempfindlichkeit S0 und auf dem „Quotienten“ (= ein Beispiel für den Wirkzusammenhang) zwischen dem elektrischen Referenzleitfähigkeitswert L0 und dem ermittelten momentanen elektrischen Leitfähigkeitswert 1/R1 des Hallsensorelements 20 bestimmt.In the optional
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt 180 des Bestimmens eines Empfindlichkeit-Leitfähigkeit-Quotienten (=leitfähigkeitsnormierte Empfindlichkeit) SRN des jeweiligen Hallsensorelements als Quotient (Verhältnis) der Referenzempfindlichkeit S0 und des elektrischen Referenzleitfähigkeitswert Lo des jeweiligen Hallsensorelements aufweisen entsprechend dem folgendem Zusammenhang (Formel 9):
Das Verfahren 100 kann somit ferner einen Schritt des Bestimmens 190 der (momentanen) Empfindlichkeit SHall des jeweiligen Hallsensorelements aufweisen basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 10):
mit Lo = elektrischer Referenzleitfähigkeitswert
L1 = momentaner elektrischer Leitfähigkeitswert (LHall = 1/RHall)
SLN = Empfindlichkeit-Leitfähigkeit-Quotient des jeweiligen Hallsensorelements 20.The
where Lo = reference electrical conductivity value
L 1 = instantaneous electrical conductivity value (L Hall = 1/R Hall )
SLN=sensitivity-conductivity quotient of the respective
Den obigen Ausführungsbeispielen des Verfahrens 100 ist nun gemeinsam, dass die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20, d. h. die (temperaturabhängige) Abweichung der momentanen Empfindlichkeit SHALL gegenüber dem Referenzempfindlichkeitswert, basierend auf dem eingeprägten Ansteuersignal SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt werden kann, wodurch die Empfindlichkeitsbestimmung des Hallsensorelements 20 unabhängig von Kalibriermagnetfeldern etc. äußerst effizient und schnell durchgeführt werden kann.The above exemplary embodiments of
Anhand von
Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit SHall und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand RHall (oder der davon abhängigen Betriebsgröße X) des Hallsensorelements 20 mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die Beziehung zwischen der temperaturbedingten Änderung der Empfindlichkeit SHall und der temperaturbedingte Änderung der von dem elektrischen Widerstandswert RHall abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße X des Hallelements 20 (= Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung) kann mathematisch mit der Temperatur als Variable abgebildet werden.According to the further exemplary embodiment of the concept according to the invention, the known, determined or specified effective relationship between the temperature-dependent sensitivity S Hall and the temperature-dependent electrical resistance R Hall (or the operating variable X dependent on it) of the
Anhand von
Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit SHall und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand RHall (oder der davon abhängigen Betriebsgröße X) des Hallsensorelements 20 mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die temperaturabhängige Empfindlichkeit SHall kann nun als (mathematisches) Modell oder Funktion F(X,T) mit der temperaturabhängigen Betriebsgröße X, die von dem elektrischen Widerstandswert RHall des Hallelements 20 abhängig oder abgeleitet, der Temperatur als Variable abgebildet werden.According to the further exemplary embodiment of the concept according to the invention, the known, determined or predetermined effective relationship between the temperature-dependent sensitivity S Hall and the temperature-dependent electrical resistance R Hall (or the operating variable X dependent thereon) of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 200 zum Bestimmen einer (momentanen) Empfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 eines Hallsensors 10 einen Schritt des Bereitstellens 210 eines Modells F(X,T) (= eine mathematische Funktion) für die Empfindlichkeit SHall mit der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 und mit der Temperatur T des Hallsensorelements 20 als Variable. Dabei ist die Betriebsgröße X von dem elektrischen Widerstandswert RHall des Sensorelements 20 abhängig oder abgeleitet.According to one embodiment, the
Dies kann beispielsweise basierend auf den Messwerten der elektrischen Betriebsgröße X und der Empfindlichkeit SHall bei den unterschiedlichen Temperaturen T erfolgen. Hinsichtlich der Definition der Betriebsgröße X wird wieder auf die Ausführungen im Rahmen der obigen Beschreibung des Verfahrens 100 verwiesen, die auch nachfolgend entsprechend anwendbar sind.This can be done based on the measured values of the electrical operating variable X and the sensitivity S Hall at the different temperatures T, for example. With regard to the definition of the operating variable X, reference is again made to the explanations in the context of the above description of the
Bei Schritt 220 wird nun ein Momentanwert X1 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 basierend auf einem Ansteuersignal SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner bei Schritt 230 die momentane Temperatur T1 des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird.In
Bei Schritt 240 wird die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 (z.B. als Absolut-Wert) basierend auf dem Wert (z.B. Funktionswert) des Modells, der dem momentanen Temperaturwert T1 und dem Momentanwert X1 der Betriebsgröße X zugeordnet ist, bestimmt, d.h. der Funktionswert von F(X1, T1).In
Gemäß dem vorliegenden Konzept kann also zunächst ein Modell bzw. eine Funktion F(X,T) für die Empfindlichkeit mit der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 und mit der Temperatur T als Variable bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert SN und ein Wert XN der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN ermittelt werden, d.h. abgerufen, bereitgestellt oder gemessen werden. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T1, T2, ..., wobei dann das mathematische Modell F(X,T) für die Empfindlichkeit basierend auf den Messwerten der Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen ermittelt wird.According to the present concept, a model or a function F(X,T) for the sensitivity with the operating variable X of the
Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, das Modell F(X,T) rein rechnerisch aufzustellen, falls ein „Modell“ des Hallsensorelements 20 basierend auf der verwendeten Herstellungstechnologie, dem jeweiligen Aufbau als auch den verwendeten Halbleitermaterialien für das Sensorelement, etc. vorhanden ist.Alternatively, it is also possible, for example, to set up the model F(X,T) purely by calculation if a “model” of
Gemäß dem vorliegenden Konzept wird nun der Momentanwert X1 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 basierend auf einem eingeprägten Ansteuersignal (Strom- und/oder Spannungseinprägung) SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner die momentane Temperatur T1 des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird. Basierend auf dem Wert für die Funktion F(X,T), der dem momentanen Temperaturwert T1 und dem Momentanwert X1 der Betriebsgröße X zugeordnet ist, kann dann schließlich die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements (z.B. als Absolut-Wert) bestimmt werden.According to the present concept, the instantaneous value X 1 of the operating variable X of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt 210 des Bereitstellens ferner einen Schritt 250 des Ermittelns eines Empfindlichkeitswerts SN eines Werts XN der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN, und ferner einen Schritt 260 des Ermittelns des Modells F(X, T) für die Empfindlichkeit SHall mit der elektrischen Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 und mit der Temperatur T des Hallsensorelements 20 als Variable aufweisen.According to one exemplary embodiment, step 210 of providing can also include a
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert SN und ein Wert XN der elektrischen Betriebsgröße X des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN ermittelt werden, d.h. aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 abgerufen oder bereitgestellt wird oder auch gemessen wird. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T1, T2, ..., wobei dann das mathematische Modell F(X,T) für Empfindlichkeit mit der elektrischen Betriebsgröße X des Hallsensorelements und der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten der Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.This can be done, for example, by determining a sensitivity value S N and a value X N of the electrical operating variable X of the Hall sensor element for a plurality of temperature values T N , ie by retrieving or providing them from a
Basierend auf einer Mehrzahl von Temperaturpunkten für die Empfindlichkeit SHall(T) kann nun die typische Funktion SHall(T) = F(X,T), z. B. mittels eines Mess-Kits, „angefittet“ (ermittelt) werden. Diese typische Funktion wird beispielsweise auch als eine „Fitting-Funktion“ (= mathematisches Modell) der Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung bezeichnet. Based on a plurality of temperature points for the sensitivity S Hall (T), the typical function S Hall (T) = F(X,T), e.g. B. using a measurement kit, "fitted" (determined). This typical function is also referred to, for example, as a "fitting function" (=mathematical model) of the sensitivity-operating variable relationship.
Als „Fitting“ wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine sogenannte „Ausgleichsrechnung“ in Form einer mathematischen Optimierungsmethode verstanden, um die Parameter einer vorgegebenen Funktion (Fitting-Funktion) zu bestimmen bzw. abzuschätzen. Unter einem Fitting bzw. Fit wird beispielsweise eine Funktionsanpassung verstanden, wobei auch etwaige Messfehler oder Unsicherheiten der Messpunkte berücksichtigt werden können. Eine mögliche Methode bzw. Vorgehensweise eines Fits ist die Methode der kleinsten Quadrate, wobei beispielsweise eine Gauß-verteilte Messunsicherheit angenommen wird. Natürlich können auch andere Vorgehensweisen und Algorithmen zur Bestimmung der Fitting-Funktion eingesetzt werden, soweit der Verlauf des Sensorausgangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe ausreichend genau mit der Fitting-Funktion wiedergegeben wird.In the context of the present description, “fitting” is understood as a so-called “compensation calculation” in the form of a mathematical optimization method in order to determine or estimate the parameters of a given function (fitting function). A fitting or fit is understood to mean, for example, a function adaptation, in which case any measurement errors or uncertainties of the measurement points can also be taken into account. A possible method or procedure for a fit is the least squares method, with a Gaussian-distributed measurement uncertainty being assumed, for example. Of course, other procedures and algorithms can also be used to determine the fitting function, insofar as the course of the sensor output signal or a variable derived therefrom is reproduced with sufficient accuracy using the fitting function.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mehrzahl von Temperaturwerten TN gewählt werden, um ein überbestimmtes, mathematisches Modell F(X,T) zu erhalten. Dies bestimmt die Anzahl nötiger Temperaturpunkte zur Bestimmung der Modellparameter. Wird ein überbestimmtes System vorausgesetzt, sind z.B. zwei Temperaturpunkte bei einem linearen Zusammenhang, drei Temperaturpunkte bei quadratischem Zusammenhang, etc. erforderlich. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Modell F(X,T) eine lineare Funktion, ein Polynom n-ter Ordnung, eine Taylor-Reihe oder eine exponentielle Funktion oder einen sonstigen mathematischen Zusammenhang aufweisen.According to one embodiment, the plurality of temperature values T N can be chosen to obtain an over-determined mathematical model F(X,T). This determines the number of temperature points needed to determine the model parameters. If an overdetermined system is assumed, two temperature points are required for a linear relationship, three temperature points for a quadratic relationship, etc. According to one exemplary embodiment, the model F(X,T) can have a linear function, an nth-order polynomial, a Taylor series or an exponential function or some other mathematical relationship.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der das Hallsensorelement durchlaufende Betriebsstrom SIN zur Bestimmung des elektrischen Widerstandwerts R1 auch hier beispielsweise mittels einer Stromspiegelschaltung 60 ausgekoppelt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Hallsensorelement 20 Teil eines Absolutwert-basierten Hallsensors oder Messsystems 10, z.B. einer Magnetfeldsonde, eines Stromsensors, etc. sein.According to one exemplary embodiment, the operating current S IN flowing through the Hall sensor element can also be decoupled here, for example, by means of a
Anhand von
Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit SHall und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand RHall (oder der davon abhängigen Betriebsgröße X) des Hallsensorelements 20 mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die Beziehung zwischen der temperaturbedingten Änderung der Empfindlichkeit SHall und der temperaturbedingten Änderung der von dem elektrischen Widerstandswert RHall abhängigen oder abgeleiteten Betriebsgröße X des Hallelements 20 (= Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung) kann mathematisch mit der Temperatur als Variable abgebildet werden.According to the further exemplary embodiment of the concept according to the invention, the known, determined or specified effective relationship between the temperature-dependent sensitivity S Hall and the temperature-dependent electrical resistance R Hall (or the operating variable X dependent on it) of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 300 zum Bestimmen einer (momentanen) Empfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 eines Hallsensors 10 einen Schritt des Bereitstellens 310 eines Modells fSXN(T) (= eine mathematische Funktion) für eine Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung (= Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit SHall und Betriebsgröße X des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable, wobei die Betriebsgröße X von dem elektrischen Widerstandswert RHall des Sensorelements 20 abhängig oder abgeleitet ist. Dies kann beispielsweise basierend auf den Messwerten der elektrischen Betriebsgröße X und der Empfindlichkeit SHall bei den unterschiedlichen Temperaturen erfolgen.According to one embodiment, the
Hinsichtlich der Definition der Betriebsgröße X wird wieder auf die Ausführungen im Rahmen der obigen Beschreibung des Verfahrens 100 verwiesen, die auch nachfolgend entsprechend anwendbar sind.With regard to the definition of the operating variable X, reference is again made to the explanations in the context of the above description of the
Bei Schritt 320 wird nun ein Momentanwert X1 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 basierend auf einem (eingeprägten) Ansteuersignal SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner bei Schritt 330 die momentane Temperatur T1 des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird.In
Bei Schritt 340 wird die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 (als Absolut-Wert) basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung fSXN(T), der dem momentanen Temperaturwert T1 zugeordnet ist, und dem Momentanwert X1 der Betriebsgröße X bestimmt.In
Gemäß dem vorliegenden Konzept kann also zunächst ein temperaturabhängiges Modell fSXN(T) für die Empfindlichkeit- Betriebsgröße-Beziehung (= Betriebsgröße-normierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit und Betriebsgröße des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert SN und ein Wert XN der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN ermittelt werden, d.h. abgerufen, bereitgestellt oder gemessen werden. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T1, T2, ..., wobei dann das mathematische Modell fSXN(T) für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten der Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.According to the present concept, a temperature-dependent model f SXN (T) for the sensitivity-operating variable relationship (=operating variable-normalized sensitivity) can be provided from the sensitivity and operating variable of the Hall sensor element with the temperature T as a variable. This can be done, for example, by determining, ie retrieving, providing or measuring, a sensitivity value S N and a value X N of the operating variable X of
Alternativ ist es beispielsweise auch möglich das Modell fSXN(T) rein rechnerisch aufzustellen, falls ein „Modell“ des Hallsensorelements 20 basierend auf der verwendeten Herstellungstechnologie, dem jeweiligen Aufbau als auch den verwendeten Halbleitermaterialien für das Sensorelement, etc. vorhanden ist.Alternatively, it is also possible, for example, to set up the model f SXN (T) purely by calculation if a “model” of
Gemäß dem vorliegenden Konzept wird nun der Momentanwert X1 der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 basierend auf einem eingeprägten Ansteuersignal (Strom- und/oder Spannungseinprägung) SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner die momentane Temperatur T1 des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird. Basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung fSRN(T), der dem momentanen Temperaturwert T1 zugeordnet ist, und dem Momentanwert X1 der Betriebsgröße X kann dann schließlich die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements (als Absolut-Wert) bestimmt werden.According to the present concept, the instantaneous value X 1 of the operating variable X of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt 310 des Bereitstellens ferner einen Schritt 350 des Ermittelns eines Empfindlichkeitswerts SN eines Werts XN der Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN, und ferner einen Schritt 360 des Ermittelns des Modells fSXN(T) für die Empfindlichkeit-Betriebsgrößen-Beziehung aus Empfindlichkeit SHall und elektrischer Betriebsgröße X des Hallsensorelements 20 mit der Temperatur T als Variable aufweisen.According to one exemplary embodiment, step 310 of providing can also include a
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert SN und ein Wert XN der elektrischen Betriebsgröße X des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN ermittelt werden, d.h. aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 abgerufen oder bereitgestellt wird oder auch gemessen wird. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T1, T2, ..., wobei dann das mathematische Modell fSXN(T) für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischer Betriebsgröße X des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten der Betriebsgröße und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.This can be done, for example, by determining a sensitivity value S N and a value X N of the electrical operating variable X of the Hall sensor element at a plurality of temperature values T N , ie by retrieving or providing them from a
Basierend auf einer Mehrzahl von Temperaturpunkten für die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung kann nun eine typische Funktion, z. B. mittels eines Mess-Kits, „angefittet“ (ermittelt) werden. Diese typische Funktion wird beispielsweise auch als eine „Fitting-Funktion“ (= mathematisches Modell) der Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung bezeichnet.A typical function, e.g. B. using a measurement kit, "fitted" (determined). This typical function is also referred to, for example, as a "fitting function" (=mathematical model) of the sensitivity-operating variable relationship.
Als „Fitting“ wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine sogenannte „Ausgleichsrechnung“ in Form einer mathematischen Optimierungsmethode verstanden, um die Parameter einer vorgegebenen Funktion (Fitting-Funktion) zu bestimmen bzw. abzuschätzen. Unter einem Fitting bzw. Fit wird beispielsweise eine Funktionsanpassung verstanden, wobei auch etwaige Messfehler oder Unsicherheiten der Messpunkte berücksichtigt werden können. Eine mögliche Methode bzw. Vorgehensweise eines Fits ist die Methode der kleinsten Quadrate, wobei beispielsweise eine Gauß-verteilte Messunsicherheit angenommen wird. Natürlich können auch andere Vorgehensweisen und Algorithmen zur Bestimmung der Fitting-Funktion eingesetzt werden, soweit der Verlauf des Sensorausgangssignals oder einer davon abgeleiteten Größe ausreichend genau mit der Fitting-Funktion wiedergegeben wird.In the context of the present description, “fitting” is also understood in this exemplary embodiment as a so-called “compensation calculation” in the form of a mathematical optimization method in order to determine or estimate the parameters of a specified function (fitting function). A fitting or fit is understood to mean, for example, a function adaptation, in which case any measurement errors or uncertainties of the measurement points can also be taken into account. A possible method or procedure for a fit is the least squares method, with a Gaussian-distributed measurement uncertainty being assumed, for example. Of course, other procedures and algorithms can also be used to determine the fitting function, insofar as the course of the sensor output signal or a variable derived therefrom is reproduced with sufficient accuracy using the fitting function.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung ein Produkt der temperaturabhängigen Empfindlichkeit (S(T)) und der temperaturabhängigen, elektrischen Betriebsgröße (X(T)) des Hallsensorelements (20) ist, wobei das Verfahren 300 ferner einen Schritt 370 des Bestimmens der momentanen Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 bei dem Temperaturwert T basierend auf folgendem Zusammenhang bzw. Verhältnis (Formel 11) aufweist:
fSXN(T) = Funktionswert des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts bei dem Temperaturwert T
des Hallsensorelements 20.According to one embodiment, the sensitivity-operating variable relationship is a product of the temperature-dependent sensitivity (S(T)) and the temperature-dependent, electrical operating variable (X(T)) of the Hall sensor element (20), with
f SXN (T) = function value of the product of the operating quantity and sensitivity at the temperature value T
of the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Beziehung ein Quotient (= Empfindlichkeit-Betriebsgröße-Quotient) der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S(T) und der temperaturabhängigen, elektrischen Betriebsgröße X(T) des Hallsensorelements 20 ist, wobei das Verfahren 300 ferner einen Schritt 380 des Bestimmens der (momentanen) Empfindlichkeit S(T) des Hallsensorelements bei dem Temperaturwert T basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 12) aufweist:
fSXN(T) = Funktionswert des Betriebsgröße-Empfindlichkeit-Produkts bei dem Temperaturwert T
des Hallsensorelements 20.According to a further exemplary embodiment, the sensitivity-operating variable relationship is a quotient (= sensitivity-operating variable quotient) of the temperature-dependent sensitivity S(T) and the temperature-dependent, electrical operating variable X(T) of the
f SXN (T) = function value of the product of the operating quantity and sensitivity at the temperature value T
of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mehrzahl von Temperaturwerten TN gewählt werden, um ein überbestimmtes, mathematisches Modell fSRN(T) zu erhalten. Dies bestimmt die Anzahl nötiger Temperaturpunkte zur Bestimmung der Modellparameter. Wird ein überbestimmtes System vorausgesetzt, sind z.B. zwei Temperaturpunkte bei einem linearen Zusammenhang, drei Temperaturpunkte bei quadratischem Zusammenhang, etc. erforderlich.According to one embodiment, the plurality of temperature values T N can be chosen to obtain an over-determined mathematical model f SRN (T). This determines the number of temperature points needed to determine the model parameters. If an overdetermined system is assumed, two temperature points are required for a linear relationship, three temperature points for a quadratic relationship, etc.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Modell fSRN(T) eine lineare Funktion, ein Polynom n-ter Ordnung, eine Taylor-Reihe oder eine exponentielle Funktion oder einen sonstigen mathematischen Zusammenhang aufweisen.According to one exemplary embodiment, the model f SRN (T) can have a linear function, an nth-order polynomial, a Taylor series or an exponential function or some other mathematical relationship.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der das Hallsensorelement durchlaufende Betriebsstrom SIN zur Bestimmung des elektrischen Widerstandwerts R1 auch hier beispielsweise mittels einer Stromspiegelschaltung 60 ausgekoppelt werden.According to one exemplary embodiment, the operating current S IN flowing through the Hall sensor element can also be decoupled here, for example, by means of a
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Hallsensorelement 20 Teil eines Absolutwert-basierten Hallsensors oder Messsystems 10, z.B. einer Magnetfeldsonde, eines Stromsensors, etc. sein.According to one embodiment, the
Das anhand von
Gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Konzepts kann nun der bekannte, ermittelte oder vorgegebene Wirkzusammenhang zwischen der temperaturabhängigen Empfindlichkeit SHall und dem temperaturabhängen elektrischen Widerstand RHall des Hallsensorelements 20 mathematisch „modelliert“ werden, d.h. die Beziehung zwischen der temperaturbedingten Änderung der Empfindlichkeit SHall und der temperaturbedingte Änderung des elektrischen Widerstands RHall des Hallelements 20 (= Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung) kann mathematisch mit der Temperatur als Variable abgebildet werden.According to the further exemplary embodiment of the concept according to the invention, the known, determined or specified effective relationship between the temperature-dependent sensitivity S Hall and the temperature-dependent electrical resistance R Hall of
Zur weiteren Erläuterung wird auch wieder auf die
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 300 zum Bestimmen einer (momentanen) Empfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 (eines Hallsensors 10) einen Schritt des Bereitstellens 310 eines Modells fSRN(T) (= eine mathematische Funktion) für eine Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung (= widerstandsnormierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit SHall und elektrischem Widerstand RHall des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable. Dies kann beispielsweise basierend auf den Messwerten des elektrischen Widerstandswerts RHall und der Empfindlichkeit SHall bei den unterschiedlichen Temperaturen erfolgen.According to an exemplary embodiment, the
Bei Schritt 320 wird nun der momentane elektrische Widerstandswert R1 des Hallsensorelements 20 basierend auf einem (eingeprägten) Ansteuersignal SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner bei Schritt 330 die momentane Temperatur T1 des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird.In
Bei Schritt 340 wird die momentane Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 (als Absolut-Wert) basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung fSRN(T), der dem momentanen Temperaturwert T1 zugeordnet ist, und dem momentanen elektrischen Widerstandswert R1 bestimmt.At
Gemäß dem vorliegenden Konzept kann also zunächst ein temperaturabhängiges Modell fSRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung (= widerstandsnormierte Empfindlichkeit) aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert SN und ein elektrischen Widerstandswert RN des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN ermittelt werden, d.h. abgerufen, bereitgestellt oder gemessen werden. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T1, T2, ..., wobei dann das mathematische Modell fSRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten des elektrischen Widerstandswerts und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.According to the present concept, a temperature-dependent model f SRN (T) for the sensitivity-resistance relationship (=resistance-normalized sensitivity) from sensitivity and electrical resistance of the Hall sensor element with temperature T as a variable can be provided. This can be done, for example, by determining, ie retrieving, providing or measuring, a sensitivity value S N and an electrical resistance value R N of the Hall sensor element in each case at a plurality of temperature values T N . This corresponds to a calibration at the temperature values T 1 , T 2 , ..., whereby the mathematical model f SRN (T) for the sensitivity-resistance relationship from sensitivity and electrical resistance of the Hall sensor element with the temperature T as a variable (based on the measured values of the electrical resistance value and the sensitivity at the different temperatures).
Alternativ ist es beispielsweise auch möglich das Modell fSRN(T) rein rechnerisch aufzustellen, falls ein „Modell“ des Hallsensorelements 20 basierend auf der verwendeten Herstellungstechnologie, dem jeweiligen Aufbau als auch den verwendeten Halbleitermaterialien für das Sensorelement, etc. vorhanden ist.Alternatively, it is also possible, for example, to set up the model f SRN (T) purely by calculation if a “model” of
Gemäß dem vorliegenden Konzept wird nun der momentane elektrische Widerstandswert R1 des Hallsensorelements 20 basierend auf einem eingeprägten Ansteuersignal (Strom- oder Spannungseinprägung) SIN des Hallsensorelements 20 bestimmt, wobei ferner die momentane Temperatur T1 des aktiven Bereichs des Hallsensorelements 20 bestimmt wird. Basierend auf dem Wert für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung fSRN(T), der dem momentanen Temperaturwert T1 zugeordnet ist, und dem momentanen elektrischen Widerstandswert R1 kann dann schließlich die momentanen Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements (als Absolut-Wert) bestimmt werden.According to the present concept, the instantaneous electrical resistance value R 1 of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schritt 310 des Bereitstellens ferner einen Schritt 350 des Ermittelns eines Empfindlichkeitswerts SN und eines elektrischen Widerstandswerts RN des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN, und ferner einen Schritt 360 des Ermittelns des Modells FSRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements 20 mit der Temperatur T als Variable aufweisen.According to an exemplary embodiment, step 310 of providing can also include a
Dies kann beispielsweise erfolgen, indem ein Empfindlichkeitswert SN und ein elektrischen Widerstandswert RN des Hallsensorelements jeweils bei einer Mehrzahl von Temperaturwerten TN ermittelt werden, d.h. aus einem für die Verarbeitungseinrichtung 30 zugreifbaren Speicher 40 abgerufen, bereitgestellt oder gemessen werden. Dies entspricht einer Kalibrierung bei den Temperaturwerten T1, T2, ..., wobei dann das mathematische Modell fSRN(T) für die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung aus Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand des Hallsensorelements mit der Temperatur T als Variable (basierend auf den Messwerten des elektrischen Widerstandswerts und der Empfindlichkeit bei den unterschiedlichen Temperaturen) ermittelt wird.This can be done, for example, by determining a sensitivity value S N and an electrical resistance value R N of the Hall sensor element at a plurality of temperature values T N , ie by retrieving, providing or measuring from a
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung ein Produkt (= Empfindlichkeit-Widerstand-Produkt) der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S(T) und des temperaturabhängigen, elektrischen Widerstandswerts R(T) des Hallsensorelements, wobei das Verfahren 300 ferner einen Schritt 370 des Bestimmens der momentanen Empfindlichkeit SHall des Hallsensorelements 20 bei dem Temperaturwert T basierend auf folgendem Zusammenhang bzw. Verhältnis (Formel 13) aufweist:
fSRN(T) = Funktionswert des Widerstand-Empfindlichkeit-Produkts bei dem Temperaturwert T
des Hallsensorelements 20.According to one embodiment, the sensitivity-resistance relationship is a product (= sensitivity-resistance product) of the temperature-dependent sensitivity S(T) and the temperature-dependent electrical resistance value R(T) of the Hall sensor element, with the
f SRN (T) = functional value of resistance-sensitivity product at temperature value T
of the
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Empfindlichkeit-Widerstand-Beziehung ein Quotient (= Empfindlichkeit-Widerstand-Quotient) der temperaturabhängigen Empfindlichkeit S(T) und des temperaturabhängigen, elektrischen Widerstandswerts R(T) des Hallsensorelements, wobei das Verfahren 300 ferner einen Schritt 380 des Bestimmens der (momentanen) Empfindlichkeit S(T) des Hallsensorelements bei dem Temperaturwert T basierend auf folgendem Zusammenhang (Formel 14) aufweist:
fSRN(T) = Funktionswert des Empfindlichkeit-Widerstand-Quotienten bei dem Temperaturwert T
des Hallsensorelements 20.According to a further exemplary embodiment, the sensitivity-resistance relationship is a quotient (= sensitivity-resistance quotient) of the temperature-dependent sensitivity S(T) and the temperature-dependent electrical resistance value R(T) of the Hall sensor element, with
f SRN (T) = function value of the sensitivity-resistance ratio at the temperature value T
of the
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mehrzahl von Temperaturwerten TN gewählt werden, um ein überbestimmtes, mathematisches Modell fSRN(T) zu erhalten. Dies bestimmt die Anzahl nötiger Temperaturpunkte zur Bestimmung der Modellparameter. Wird ein überbestimmtes System vorausgesetzt, sind z.B. zwei Temperaturpunkte bei einem linearen Zusammenhang, drei Temperaturpunkte bei quadratischem Zusammenhang, etc. erforderlich.According to one embodiment, the plurality of temperature values T N can be chosen to obtain an over-determined mathematical model f SRN (T). This determines the number of temperature points needed to determine the model parameters. If an overdetermined system is assumed, two temperature points are required for a linear relationship, three temperature points for a quadratic relationship, etc.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das das Modell fSRN(T) eine lineare Funktion, ein Polynom n-ter Ordnung, eine Taylor-Reihe oder eine exponentielle Funktion oder einen sonstigen mathematischen Zusammenhang aufweisen.According to one exemplary embodiment, the model f SRN (T) can have a linear function, an nth-order polynomial, a Taylor series or an exponential function or some other mathematical relationship.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der das Hallsensorelement durchlaufende Betriebsstrom SIN zur Bestimmung des elektrischen Widerstandwerts R1 auch hier beispielsweise mittels einer Stromspiegelschaltung 60 ausgekoppelt werden.According to one exemplary embodiment, the operating current S IN flowing through the Hall sensor element can also be decoupled here, for example, by means of a
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Hallsensorelement 20 Teil eines Absolutwert-basierten Hallsensors oder Messsystems 10, z.B. einer Magnetfeldsonde, eines Stromsensors, etc. sein.According to one embodiment, the
Gemäß einem möglichen Anwendungsszenario kann mit dem Verfahren 300 eine indirekte, magnetisch unabhängige Empfindlichkeitsmessung, z.B. für Absolutwert-basierte Messsysteme, erhalten werden.According to a possible application scenario, an indirect, magnetically independent sensitivity measurement, e.g. for absolute value-based measurement systems, can be obtained with the
Bei Absolutwert-basierten Messsystemen 10, wie zum Beispiel Hall-Effekt-Stromsensoren, ist es vorteilhaft die Empfindlichkeit SHall der Hallsensorelement 20 zu jedem Zeitpunkt möglichst genau zu kennen bzw. bestimmen zu können. Bisher setzt dies eine aufwändige Kalibrierung der Sensorsysteme 10 über deren gesamten Temperatureinsatzbereich voraus. Darüber hinaus ist eine zuverlässige Messung der Empfindlichkeiten im späteren System nicht möglich ohne die genauen magnetischen Umgebungsbedingungen zu kennen.In the case of measuring
Bei den obigen Ausführungsbeispielen (zu den ratiometrischen Hallsensoren 10 und dem zugehörigen Verfahren 100 zum Bestimmen einer momentanen Empfindlichkeit eines Hallsensorelements) wurde gezeigt, dass es einen Wirkzusammenhang zwischen der magnetischen Empfindlichkeit SHall und der Betriebsgröße X, wie z.B. dem elektrischen Widerstand RHall, eines Hallsensorelements 20 gibt. Dieser Zusammenhang kann genutzt werden, um die Kalibrierung der Systeme bzw. Hallsensoren 10 zu vereinfachen und die Empfindlichkeit SHall der Hallsensoren 10 bzw. deren Hallsensorelemente 20 im späteren System indirekt über deren Betriebsgröße X, wie z.B. deren (jeweiligen) elektrischen Widerstand RHall, zu messen.In the above exemplary embodiments (regarding the
Hierzu wird der Wirkzusammenhang zwischen der Empfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 und dessen Betriebsgröße X, wie z.B. dessen elektrischem Widerstand RHall, mathematisch modelliert. Das Modell fSRN(T) kann eine lineare Funktion, ein Polynom n-ter Ordnung, eine exponentielle Funktion, o.ä. sein. Dessen Parameter beinhalten die Grundgrößen Sensorempfindlichkeit SHall, Sensorbetriebsgröße X, wie z.B. Sensorwiderstand RHall, sowie die Temperatur T. Ist ein passendes Modell entwickelt, dann bestimmt dieses die Anzahl nötiger Temperaturpunkte zur Bestimmung der Modellparameter (überbestimmtes System vorausgesetzt, z.B. zwei Temperaturpunkte bei linearem, drei bei quadratischem Zusammenhang, usw.).For this purpose, the functional relationship between the sensitivity S Hall of a
Nach der Kalibrierung wird das mathematische Modell fSRN(T) mit den gemessenen Parametern im Sensorsystem 10 zum Beispiel in dem Speicher 50 gespeichert. Um die Empfindlichkeit SHall eines Hallsensorelements 20 des Sensorsystems 10 bestimmen zu können, wird im Betrieb die Temperatur T sowie die Betriebsgröße X, wie z.B. der elektrische Widerstand RHALL, des Sensorelements 20 gemessen. Die Berechnung der Empfindlichkeit erfolgt nach der Beziehung (Formel 15):
Somit ist die Bestimmung der Sensorempfindlichkeit unabhängig von magnetischen Einflüssen.Thus, the determination of the sensor sensitivity is independent of magnetic influences.
Beispiel: Der Wirkzusammenhang zwischen Empfindlichkeit und Widerstand des Hall Sensors in
Im Folgenden werden nochmal vorteilhafte Aspekte des erfindungsgemäßen Konzepts, wie es durch die Verfahren 100, 200 und 300 zum Bestimmen einer Empfindlichkeit (SHall) eines Hallsensorelements definiert ist, dargestellt.Advantageous aspects of the concept according to the invention, as defined by
Durch die hier beschriebene Verknüpfung von Empfindlichkeit und elektrischem Widerstand eines Hallsensorelements wird ein Gleichlauf von lateralen und vertikalen Hallsensorelementen hergestellt bzw. überhaupt ermöglicht. Es ist somit technisch möglich, Sensoranordnungen, z.B. Winkelsensoren, aus einer Kombination von lateralen und vertikalen Hallsensorelementen zu realisieren, wobei ohne externe Magnetfelder eine Kalibration der (temperaturabhängigen) Empfindlichkeit solcher Sensoranordnungen mit unterschiedlichen Typen von Hallsensorelementen ermöglicht wird. Somit kann die magnetisch unabhängige Bestimmung der Empfindlichkeit von Hallsensoren bzw. Hallsensorelementen mit den hier eingeführten Verfahren 100, 200, 300 technisch realisiert werden.The linking of sensitivity and electrical resistance of a Hall sensor element as described here establishes or even enables synchronization of lateral and vertical Hall sensor elements. It is therefore technically possible to implement sensor arrangements, e.g. Thus, the magnetically independent determination of the sensitivity of Hall sensors or Hall sensor elements can be technically implemented using the
Ferner kann der Kalibrieraufwand sowohl für ratiometrische als auch für Absolutwert-basierte Systeme (Hallsensoren) mit hohen Genauigkeitsanforderungen vereinfacht werden.Furthermore, the calibration effort can be simplified for both ratiometric and absolute-value-based systems (Hall sensors) with high accuracy requirements.
Das erfindungsgemäße Konzept gemäß den Verfahren 100, 200 und 300 ist allgemein auf Hallsensor-Messsysteme anwendbar, d.h. sowohl auf ratiometrische Sensoranordnungen, z.B. Winkelsensoren, Positionssensorik, als auch Absolutwert-basierte Sensoranordnungen, wie zum Beispiel Stromsensoren.The inventive concept according to the
Durch die Verknüpfung von elektrischem Widerstand und Empfindlichkeit eines Hallsensorelements ist die Empfindlichkeit des Hallsensors bzw. Hallsensorelements indirekt messbar. Dies ermöglicht den Empfindlichkeitsgleichlauf in 2D- oder 3D-Hallsensoren (z.B. ratiometrische Messsysteme) sowie die indirekte Messung der Empfindlichkeit in Hall-Sensoren im Allgemeinen (z.B. Absolutwert-basierte Messsysteme).By linking electrical resistance and sensitivity of a Hall sensor element, the sensitivity of the Hall sensor or Hall sensor element can be measured indirectly. This enables sensitivity synchronization in 2D or 3D Hall sensors (e.g. ratiometric measurement systems) as well as indirect sensitivity measurement in Hall sensors in general (e.g. absolute value-based measurement systems).
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung als Merkmale im Zusammenhang einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls als eine Beschreibung entsprechender Verfahrensmerkmale betrachtet werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale einer Vorrichtung bzw. der Funktionalität einer Vorrichtung betrachtet werden können. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden. Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein.Although some aspects of the present disclosure have been described as features in the context of an apparatus, it is clear that such a description can also be considered as a description of corresponding method features. Although some aspects have been described as features associated with a method, it is clear that such a description can also be regarded as a description of corresponding features of a device or the functionality of a device. Some or all of the method steps may be performed by (or using) hardware apparatus, such as a microprocessor, a programmable computer, or electronic circuitry. In some embodiments, some or more of the method steps may be performed by such an apparatus. Depending on particular implementation requirements, embodiments of the invention may be implemented in hardware, or in software, or at least partially in hardware, or at least partially in software.
In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist. In the foregoing Detailed Description, in part, various features were grouped together in examples in order to streamline the disclosure. This type of disclosure should not be interpreted as an intention that the claimed examples have more features than are expressly recited in each claim. Rather, as the following claims reflect, subject matter may lie in less than all features of a single disclosed example. Thus the following claims are hereby incorporated into the Detailed Description, where each claim may stand as its own separate example. While each claim may stand as its own separate example, it should be noted that although dependent claims in the claims refer back to a specific combination with one or more other claims, other examples also include a combination of dependent claims with the subject-matter of each other dependent claim or a combination of each feature with other dependent or independent claims. Such combinations are contemplated unless it is stated that a specific combination is not intended. Furthermore, it is intended that a combination of features of a claim with any other independent claim is also included, even if that claim is not directly dependent on the independent claim.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die spezifischen dort gezeigten und dargestellten Ausführungsbeispiele ersetzt werden können, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Dieser Anmeldungstext soll alle Adaptionen und Variationen der hierin beschriebenen und erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist der vorliegende Anmeldungsgegenstand lediglich durch den Wortlaut der Ansprüche und den äquivalenten Ausführungsformen derselben begrenzt.Although specific example embodiments have been illustrated and described herein, it will be apparent to those skilled in the art that there are a variety of alternative and/or equivalent implementations may be substituted for the specific embodiments shown and illustrated therein without departing from the subject matter of the present application. This application text is intended to cover any adaptations and variations of the specific embodiments described and discussed herein. Therefore, the present application subject matter is limited only by the language of the claims and the equivalent embodiments thereof.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102010028390 B4 [0006]DE 102010028390 B4 [0006]
- EP 2490037 B1 [0006]EP 2490037 B1 [0006]
- EP 3341746 B1 [0006]EP 3341746 B1 [0006]
Claims (30)
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US17/470,898 US12025681B2 (en) | 2020-09-11 | 2021-09-09 | Method for determining a sensitivity of a hall sensor element, and hall sensor with at least one hall sensor element |
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